(57)【要約】【課題】広ダイナミックレンジ化と高画質化を両立させることが可能な固体撮像素子を提供する。【解決手段】同一平面上に配列された多数の画素１００を有する固体撮像素子であって、画素１００は、基板上光電変換素子２００ａと基板内光電変換素子２００ｂと、光電変換素子２００ａ，２００ｂの各々で発生した電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し回路１００ｂとを含み、信号読み出し回路１００ｂは、光電変換素子２００ａに対応する電荷検出セル２１２ａと、光電変換素子２００ｂに対応する電荷検出セル２１２ｂとを含み、電荷検出セル２１２ａから基板上光電変換素子２００ａを見たときの第一の容量が、電荷検出セル２１２ｂから基板内光電変換素子２００ｂを見たときの第二の容量の１．２倍以上となっている。【選択図】図２
2007324405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一平面上に配列された多数の画素を有する固体撮像素子であって、
前記画素は、複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子の各々で発生した電荷に応じた信号を出力する信号出力手段とを含み、
前記複数の光電変換素子は、半導体基板上方に積層された少なくとも１つの基板上光電変換素子と、前記基板上光電変換素子下方の前記半導体基板内に形成された少なくとも１つの基板内光電変換素子とを含み、
前記信号出力手段から前記基板上光電変換素子を見たときの第一の容量が、前記信号出力手段から前記基板内光電変換素子を見たときの第二の容量の１．２倍以上となっている固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記画素が、前記複数の光電変換素子毎に設けられた複数の素子選択用トランジスタを備え、
前記信号出力手段が、前記複数の素子選択用トランジスタに共通に接続された１つの回路であり、
前記第一の容量とは、前記少なくとも１つの基板上光電変換素子のいずれかが前記素子選択用トランジスタによって選択された状態で前記回路の入力に接続されている部分の容量であり、
前記第二の容量とは、前記少なくとも１つの基板内光電変換素子のいずれかが前記素子選択用トランジスタによって選択された状態で前記回路の入力に接続されている部分の容量である固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記信号出力手段が、前記複数の光電変換素子の各々に対応して設けられた複数の回路であり、
前記第一の容量とは、前記少なくとも１つの基板上光電変換素子のいずれかに対応する前記回路の入力に接続された部分の容量であり、
前記第二の容量とは、前記少なくとも１つの基板内光電変換素子のいずれかに対応する前記回路の入力に接続された部分の容量である固体撮像素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記画素が、前記第一の容量及び前記第二の容量を調整するためのＭＯＳキャパシタを備える固体撮像素子。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記画素が、前記第一の容量及び前記第二の容量を調整するためのＭＩＭキャパシタを備える固体撮像素子。
【請求項６】
請求項５記載の固体撮像素子であって、
前記ＭＩＭキャパシタが、前記信号出力手段の上に積層されている固体撮像素子。
【請求項７】
請求項６記載の固体撮像素子であって、
前記ＭＩＭキャパシタを構成する一対の電極のうちの一方が遮光機能を有する材料で構成される固体撮像素子。
【請求項８】
請求項７記載の固体撮像素子であって、
前記一方の電極が前記信号出力手段に近い電極である固体撮像素子。
【請求項９】
請求項７又は８記載の固体撮像素子であって、
前記一方の電極に直流バイアス電圧が印加される固体撮像素子。
【請求項１０】
請求項７又は８記載の固体撮像素子であって、
前記一方の電極が電源ライン又はグランドラインに接続されている固体撮像素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記画素が、１つの前記基板上光電変換素子と１つの前記基板内光電変換素子との２つの光電変換素子を含む固体撮像素子。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記画素が、２つの前記基板上光電変換素子と１つの前記基板内光電変換素子との３つの光電変換素子を含む固体撮像素子。
【請求項１３】
請求項１１記載の固体撮像素子であって、
前記多数の画素が、第一の画素と、第二の画素と、第三の画素とからなるユニットに分割され、
前記第一の画素は、前記２つの光電変換素子として、青色の波長域の光を検出する光電変換素子と黄色の波長域の光を検出する光電変換素子とを含み、
前記第二の画素は、前記２つの光電変換素子として、緑色の波長域の光を検出する光電変換素子とマゼンタ色の波長域の光を検出する光電変換素子とを含み、
前記第三の画素は、前記２つの光電変換素子として、赤色の波長域の光を検出する光電変換素子とシアン色の波長域の光を検出する光電変換素子とを含む固体撮像素子。
【請求項１４】
請求項１２記載の固体撮像素子であって、
前記３つの光電変換素子が、それぞれ異なる波長域の光を検出し、
前記多数の画素が３つの画素からなるユニットに分割され、
前記ユニット内で同一平面上に並ぶ光電変換素子が、それぞれ異なる波長域の光を検出する固体撮像素子。
【請求項１５】
請求項１４記載の固体撮像素子であって、
前記３つの光電変換素子が、青色の波長域の光を検出する光電変換素子と、緑色の波長域の光を検出する光電変換素子と、赤色の波長域の光を検出する光電変換素子である固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同一平面上に配列された多数の画素を有する固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換膜積層型固体撮像素子の原型的なものとして、例えば下記特許文献１〜３記載のものがある。この固体撮像素子は、半導体基板上方に感光層を３層積層し、各感光層で検出された赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の夫々の電気信号を、半導体基板表面に形成されているＭＯＳ回路で読み出すという構成になっている。
【０００３】
斯かる構成の固体撮像素子が過去に提案されたが、その後、半導体基板表面部に多数の受光部（フォトダイオード）を集積すると共に各受光部上にＲ，Ｇ，Ｂの各色カラーフィルタを積層した単板式のＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサが著しく進歩し、現在では、数百万もの受光部（画素）を１チップ上に集積したイメージセンサがデジタルカメラに搭載される様になっている。
【０００４】
【特許文献１】特開昭５８―１０３１６５号公報
【特許文献２】特許第３４０５０９９号公報
【特許文献３】特開２００２―８３９４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサは、その技術進歩が限界近くまで進んできている。単位面積辺りの画素数を増やすことにより、さらなる高画質化が見込まれるが、最も小さな受光部の受光領域（開口）の大きさは２μｍを切り始めた。これ以上の微細化は困難を極めると同時に、光の波長よりも短い微細化は現実的に不可能なため近い将来必ずその限界に到達する。
【０００６】
また、微細化が進むと１画素あたりに蓄積できる電子数が原理的に減少してダイナミックレンジの低下を伴う。蓄積電子数の低下に伴うダイナミックレンジを補うために、１フレーム期間内をサブフレーム期間に分割し、それぞれのサブフレーム時間でシャッタ時間を変化させ、その信号を合成する方法も提案されている。しかし、該方法は、広帯域の増幅回路を必要とし、画素数の増加に伴う広帯域化との両立は非常に困難である。これらの要因から、現状の固体撮像素子では、広ダイナミックレンジ化と高画質化を両立させることは非常に困難であるという原理的な問題を抱えていた。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、広ダイナミックレンジ化と高画質化を両立させることが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の固体撮像素子は、同一平面上に配列された多数の画素を有する固体撮像素子であって、前記画素は、複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子の各々で発生した電荷に応じた信号を出力する信号出力手段とを含み、前記複数の光電変換素子は、半導体基板上方に積層された少なくとも１つの基板上光電変換素子と、前記基板上光電変換素子下方の前記半導体基板内に形成された少なくとも１つの基板内光電変換素子とを含み、前記信号出力手段から前記基板上光電変換素子を見たときの第一の容量が、前記信号出力手段から前記基板内光電変換素子を見たときの第二の容量の１．２倍以上となっている。
【０００９】
本発明の固体撮像素子は、前記画素が、前記複数の光電変換素子毎に設けられた複数の素子選択用トランジスタを備え、前記信号出力手段が、前記複数の素子選択用トランジスタに共通に接続された１つの回路であり、前記第一の容量とは、前記少なくとも１つの基板上光電変換素子のいずれかが前記素子選択用トランジスタによって選択された状態で前記回路の入力に接続されている部分の容量であり、前記第二の容量とは、前記少なくとも１つの基板内光電変換素子のいずれかが前記素子選択用トランジスタによって選択された状態で前記回路の入力に接続されている部分の容量である。
【００１０】
本発明の固体撮像素子は、前記信号出力手段が、前記複数の光電変換素子の各々に対応して設けられた複数の回路であり、前記第一の容量とは、前記少なくとも１つの基板上光電変換素子のいずれかに対応する前記回路の入力に接続された部分の容量であり、前記第二の容量とは、前記少なくとも１つの基板内光電変換素子のいずれかに対応する前記回路の入力に接続された部分の容量である。
【００１１】
本発明の固体撮像素子は、前記画素が、前記第一の容量及び前記第二の容量を調整するためのＭＯＳキャパシタを備える。
【００１２】
本発明の固体撮像素子は、前記画素が、前記第一の容量及び前記第二の容量を調整するためのＭＩＭキャパシタを備える。
【００１３】
本発明の固体撮像素子は、前記ＭＩＭキャパシタが、前記信号出力手段の上に積層されている。
【００１４】
本発明の固体撮像素子は、前記ＭＩＭキャパシタを構成する一対の電極のうちの一方が遮光機能を有する材料で構成される。
【００１５】
本発明の固体撮像素子は、前記一方の電極が前記信号出力手段に近い電極である。
【００１６】
本発明の固体撮像素子は、前記一方の電極に直流バイアス電圧が印加される。
【００１７】
本発明の固体撮像素子は、前記一方の電極が電源ライン又はグランドラインに接続されている。
【００１８】
本発明の固体撮像素子は、前記画素が、１つの前記基板上光電変換素子と１つの前記基板内光電変換素子との２つの光電変換素子を含む。
【００１９】
本発明の固体撮像素子は、前記画素が、２つの前記基板上光電変換素子と１つの前記基板内光電変換素子との３つの光電変換素子を含む。
【００２０】
本発明の固体撮像素子は、前記多数の画素が、第一の画素と、第二の画素と、第三の画素とからなるユニットに分割され、前記第一の画素は、前記２つの光電変換素子として、青色の波長域の光を検出する光電変換素子と黄色の波長域の光を検出する光電変換素子とを含み、前記第二の画素は、前記２つの光電変換素子として、緑色の波長域の光を検出する光電変換素子とマゼンタ色の波長域の光を検出する光電変換素子とを含み、前記第三の画素は、前記２つの光電変換素子として、赤色の波長域の光を検出する光電変換素子とシアン色の波長域の光を検出する光電変換素子とを含む。
【００２１】
本発明の固体撮像素子は、前記３つの光電変換素子が、それぞれ異なる波長域の光を検出し、前記多数の画素が３つの画素からなるユニットに分割され、前記ユニット内で同一平面上に並ぶ光電変換素子が、それぞれ異なる波長域の光を検出する。
【００２２】
本発明の固体撮像素子は、前記３つの光電変換素子が、青色の波長域の光を検出する光電変換素子と、緑色の波長域の光を検出する光電変換素子と、赤色の波長域の光を検出する光電変換素子である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、広ダイナミックレンジ化と高画質化を両立させることが可能な固体撮像素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
（第一実施形態）
図１は、本実施形態の第一実施形態を説明するための固体撮像素子の構成を示す表面模式図である。
図１に示す固体撮像素子は、同一平面上の行方向及びこれに直交する列方向に正方格子状に配列された多数の画素１００を備える。多数の画素１００は、行方向に配列された複数の画素１００からなる行を画素行とし、この画素行を列方向に多数配列した配置、又は、列方向に配列された複数の画素１００からなる列を画素列とし、この画素列を行方向に多数配列した配置となっている。各画素１００は、特定の波長域の光を検出してそれに応じた信号電荷を発生して蓄積する部分である受光部と、該受光部に蓄積された信号電荷に応じた信号を読み出すためのＭＯＳトランジスタからなる信号読み出し回路とが含まれる。
【００２６】
ｎ型シリコン基板１２０上には、各画素１００に含まれる信号読み出し回路を駆動するための駆動信号等を該信号読み出し回路に供給する行選択走査部１０２と、各画素１００から読み出された信号に相関二重サンプリング処理やＡ／Ｄ変換処理等の信号処理を行う信号処理部１０３と、各画素１００に含まれる受光部を駆動するためのタイミングパルスを生成して、これを各受光部に供給したり、行選択走査部１０２及び信号処理部１０３を制御したりする制御部１０４とが形成されている。
【００２７】
ｎ型シリコン基板１２０上には、各画素１００に含まれる信号読み出し回路に、これを駆動するための駆動信号を供給する４種類の信号線（リセット信号線１０９ａ、リセット信号線１０９ｂ、行選択信号線１１０ａ、行選択信号線１１０ｂ）と、後述する電荷読み出し用の電荷読み出し信号線１１２とが形成されている。リセット信号線１０９ａ，１０９ｂ、行選択信号線１１０ａ，１１０ｂ、及び電荷読み出し信号線１１２は、これらを１組にして各画素行に対応して設けられている。リセット信号線１０９ａ，１０９ｂ及び行選択信号線１１０ａ，１１０ｂは、これらに対応する画素行に含まれる各画素１００の信号読み出し回路と、行選択走査部１０２とに接続されている。行選択走査部１０２から、リセット信号線１０９ａ，１０９ｂ及び行選択信号線１１０ａ，１１０ｂを介して駆動信号が信号読み出し回路に供給されることで、信号読み出し回路の信号読み出し動作が制御される。電荷読み出し信号線１１２は、対応する画素行に含まれる各画素１００と、行選択走査部１０２とに接続されている。
【００２８】
ｎ型シリコン基板１２０上には、各画素１００に含まれる信号読み出し回路から読み出された信号を信号処理部１０３に伝達するための信号出力線１１１ａ，１１１ｂが、各画素列の間を列方向に延びて形成されている。信号出力線１１１ａ，１１１ｂは、各画素列に対応して設けられている。信号出力線１１１ａ，１１１ｂは、これらに対応する画素列に含まれる各画素１００の信号読み出し回路と、信号処理部１０３とに接続される。
【００２９】
図２は、図１に示す１つの画素１００の概略構成を示す模式図であり、受光部の概略断面と、そこに接続される信号読み出し回路とを模式的に示した図である。図３は、図２に示す信号読み出し回路の具体構成例を示した図である。図２に示すように、画素１００には、受光部１００ａと、信号読み出し回路１００ｂが含まれる。
【００３０】
ｎ型シリコン基板１２０ａ表面部にはｐウェル層１２０ｂが形成され、ｎ型シリコン基板１２０ａとｐウェル層１２０ｂにより、シリコン基板１２０が構成される。ｐウェル層１２０ｂ内には、ｐ＋型半導体層１２５とｎ型半導体層１２４がこの順に、浅い位置から深い位置に向かって形成されている。ｎ型半導体層１２４とｐウェル層１２０ｂとのｐｎ接合面は、特定の波長域の光を吸収する位置に形成されており、このｐ＋型半導体層１２５とｎ型半導体層１２４とにより、特定の波長域の光を吸収してこれに応じた信号電荷を発生する基板内光電変換素子２００ｂが構成される。基板内光電変換素子２００ｂで発生した信号電荷はｎ型半導体層１２４に蓄積される。
【００３１】
ｐ＋型半導体層１２５とｎ型半導体層１２４の右側には、少し離間して、高濃度のｎ型半導体層１２３が形成されている。ｐ＋型半導体層１２５とｎ型半導体層１２３との間のｐウェル層１２０ｂ上には図示しないゲート絶縁膜を介して電荷読み出し電極１２２が形成されている。電荷読み出し電極１２２は、電荷読み出し信号線１１２に接続されており、電荷読み出し信号線１１２から電荷読み出しパルスが供給されることで、電荷読み出し電極１２２下方にチャネルを形成する。この電荷読み出しパルスにより、ｎ型半導体層１２４に蓄積された信号電荷を、チャネルを介してｎ型半導体層１２３に読み出すことができる。
【００３２】
ｎ型シリコン基板１２０上には透明絶縁膜１２６が積層され、透明絶縁膜１２６上に受光部１００ａ毎に分割された画素電極膜１２７が形成されている。画素電極膜１２７は、光学的に透明または光吸収が少ない材料で形成される。例えば、ＩＴＯ等のような金属化合物や、非常に薄い金属膜等で形成される。
【００３３】
画素電極膜１２７上には、全ての画素１００に含まれる受光部１００ａで共通の１枚構成でなる光電変換膜１２８が積層される。この光電変換膜１２８は、特定の波長領域の光に感度を有し、入射光の内の特定の波長域の入射光量に応じた信号電荷を発生する。光電変換膜１２８の構造は、単層膜構造でも多層膜構造でもよく、特定の波長域に感度がある無機材料（シリコンや化合物半導体、それらのナノ粒子等）、有機半導体材料、有機色素を含む有機材料または無機材料等で形成される。
【００３４】
光電変換膜１２８上には透明の共通電極膜（画素電極膜１２７の対向電極膜）１２９が形成され、その上には、透明の保護膜１３０が形成される。対向電極膜１２９は、全ての画素１００に含まれる受光部１００ａで共通の一枚の膜状電極でも良く、また、画素電極膜１２７と同様に受光部１００ａ毎に分割して形成しこれらを共通配線した構成でも良い。材料としては、例えばＩＴＯ等のような金属化合物や非常に薄い金属膜等で形成されるが、光学的に透明または光吸収が少ない材料とする必要がある。画素電極膜１２７と対向電極膜１２９に電圧を印加することで、光電変換膜１２８で発生した信号電荷が画素電極膜１２７に蓄積される。
【００３５】
光電変換膜１２８は、単層構造の他に、シリコン基板１２０側から、電子輸送性材料層，ホール輸送性材料層という２層構造や、ホール輸送性材料層，電子輸送性材料層という２層構造などが挙げられるが、後者の構造が高い素子性能を得られるため特に好ましい。尚、上記電子輸送性材料や上記ホール輸送性材料層はそれぞれ二つ以上に分割しても構わない。
【００３６】
また、光電変換膜は、無機材料であっても有機材料であっても構わないが、有機材料からなる場合、本実施形態では特に有効である。このため、電子輸送性材料及びホール輸送性材料として、有機材料を用いることが極めて望ましい。この理由は、光電変換膜の材料として有機材料を用いることで、後述する第一の容量の値が調整しやすくなるためである。
【００３７】
画素電極膜１２７と、対向電極膜１２９と、これらの電極膜によって挟まれた光電変換膜１２８の一部分とが、基板上光電変換素子２００ａを構成する。
【００３８】
画素電極膜１２７には、光電変換膜１２８で光電変換されて、ここに蓄積された信号電荷に応じた信号を読み出すための信号読み出し回路１００ｂの入力端子１１８ａが接続されている。信号読み出し回路１００ｂは、ｐウェル層１２０ｂ内部及び透明絶縁膜１２６内に形成されている。
【００３９】
ｎ型半導体層１２３には、基板内光電変換素子２００ｂで光電変換されて、ここに蓄積された信号電荷に応じた信号を読み出すための信号読み出し回路１００ｂの入力端子１１８ｂが接続されている。
【００４０】
図３に示すように、信号読み出し回路１００ｂは、基板上光電変換素子２００ａに対応し、基板上光電変換素子２００ａで発生した信号電荷を信号に変換して、この信号を信号出力線１１１ａに出力する回路である電荷検出セル２１２ａと、基板内光電変換素子２００ｂに対応し、基板内光電変換素子２００ｂで発生した信号電荷を信号に変換して、この信号を信号出力線１１１ｂに出力する回路である電荷検出セル２１２ｂとを含む。電荷検出セル２１２ａと電荷検出セル２１２ｂは、特許請求の範囲の信号出力手段を構成する。
【００４１】
電荷検出セル２１２ａは、信号電荷を信号に変換する出力トランジスタ２１４ａと、読み出し画素行を選択するための行選択トランジスタ２１５ａと、電荷検出セル２１２ａに読み出された信号電荷をリセットするリセットトランジスタ２１６ａとを備える。行選択トランジスタ２１５ａは、読み出し画素行を選択するための行選択信号によって動作する。リセットトランジスタ２１６ａは、信号電荷をリセットするためのリセット信号によって動作する。
【００４２】
出力トランジスタ２１４ａは、そのゲートがリセットトランジスタ２１６ａのソースに接続され、そのソースが電源端子２１７に接続される。リセットトランジスタ２１６ａは、そのゲートがリセット信号線１０９ａに接続され、そのソースが出力トランジスタ２１４ａのゲートに接続され、そのドレインが電源端子２１７に接続される。行選択トランジスタ２１５ａは、そのゲートが行選択信号線１１０ａに接続され、そのソースが出力トランジスタ２１４ａのドレインに接続され、そのドレインが信号出力線１１１ａに接続される。
【００４３】
電荷検出セル２１２ｂは、信号電荷を信号に変換する出力トランジスタ２１４ｂと、読み出し画素行を選択するための行選択トランジスタ２１５ｂと、電荷検出セル２１２ｂに読み出された信号電荷をリセットするリセットトランジスタ２１６ｂとを備える。行選択トランジスタ２１５ｂは、読み出し画素行を選択するための行選択信号によって動作する。リセットトランジスタ２１６ｂは、信号電荷をリセットするためのリセット信号によって動作する。
【００４４】
出力トランジスタ２１４ｂは、そのゲートがリセットトランジスタ２１６ｂのソースに接続され、そのソースが電源端子２１７に接続される。リセットトランジスタ２１６ｂは、そのゲートがリセット信号線１０９ｂに接続され、そのソースが出力トランジスタ２１４ｂのゲートに接続され、そのドレインが電源端子２１７に接続される。行選択トランジスタ２１５ｂは、そのゲートが行選択信号線１１０ｂに接続され、そのソースが出力トランジスタ２１４ｂのドレインに接続され、そのドレインが信号出力線１１１ｂに接続される。
【００４５】
このように、図１に示す固体撮像素子は、基板内光電変換素子２００ｂと基板上光電変換素子２００ｂの２つの光電変換素子を有する画素１００を多数備えた構成である。以上のような構成に加え、本実施形態の固体撮像素子では、各画素１００に含まれる２つの光電変換素子の各々の光電変換感度に感度差を持たせることで、ダイナミックレンジの拡大を図っている。
【００４６】
ここで、光電変換素子の光電変換感度とは、光電変換素子に所定量の光が入射したときに、その光電変換素子から取り出せる信号量がどのくらいなのかを示す特性のことを示す。つまり、同一光量の光が入射したとき、光電変換感度が相対的に高い高感度の光電変換素子は、光電変換感度が相対的に低い低感度の光電変換素子よりも、取り出せる信号量が多いという特性を持つものと定義することができる。
高感度の光電変換素子は、少ない光量で多くの信号を得ることができるため、低照度の被写体を撮影するのに最適であるが、多くの光量が入射した場合には、信号がすぐに飽和してしまうため、高照度の被写体を撮影するのには適さない。又、低感度の光電変換素子は、多くの光量が入射してもあまり多くの信号を得られないため、高照度の被写体を撮影するのに最適であるが、少ない光量が入射した場合には、得られる信号が少なすぎてしまい、低照度の被写体を撮影するのには適さない。
【００４７】
従来、低感度の光電変換素子から得られる信号と、高感度の光電変換素子から得られる信号を合成することで、固体撮像素子のダイナミックレンジを広げるという手法が知られており、本実施形態ではこのことを利用してダイナミックレンジの拡大を図る。
【００４８】
本実施形態において、画素１００は、「基板内光電変換素子２００ｂの光電変換感度＞基板上光電変換素子２００ａの光電変換感度」となるように、各光電変換素子が設計されている。基板上光電変換素子２００ａの光電変換感度は、電荷検出セル２１２ａから基板上光電変換素子２００ａを見たときの第一の容量（入力端子１１８ａに接続される部分の容量と同義）によって決まる。同様に、基板内光電変換素子２００ｂの光電変換感度は、電荷検出セル２１２ｂから基板内光電変換素子２００ｂを見たときの第二の容量（入力端子１１８ｂに接続される部分の容量と同義）によって決まる。
【００４９】
本出願人は、第一の容量を第二の容量の１．２倍以上１００万倍以下として基板内光電変換素子と基板上光電変換素子とに感度差を付けることで、ダイナミックレンジを効果的に広げられることを見出した。より好ましくは、第一の容量が第二の容量の２倍以上１０万倍以下であり、更に好ましくは、第一の容量が第二の容量の２倍以上１万倍以下のときである。
【００５０】
ここで、第一の容量と第二の容量の調整方法を説明する。
第一の容量と第二の容量は、入力端子１１８ａ，１１８ｂに接続される様々な部材によって決まるものであり、上記条件を満たすように初めから画素１００の設計を行うのは困難である。そこで、まず、図１に示す１つの画素１００を適当な条件で忠実に再現したＴＥＧチップを作製する。
【００５１】
次に、第一の容量と第二の容量の測定を行う。ここでは第一の容量の測定方法について説明する。まず、基板上光電変換素子２００ａの光電変換膜１２８が既知の光量を受けて発生する電流を予め別の系で測定しておく。それは、どのような方法でも良いが、画素を忠実に再現したＴＥＧチップを用いて測定することが望ましい。その値がわかると、所定の時間内にある光量を画素１００に当てた際に光電変換膜１２８で発生する電荷量が求まる。この電荷を特性のわかった出力トランジスタ２１４ａで増幅した場合の出力値から入力換算電圧を求め、その電圧と電荷量から容量が求まる。ここから求めた容量値は、第一の容量に極めて近く、光電変換膜１２８自身の容量の他に全ての寄生容量を考慮することができると考えられる。同様にして、第二の容量も測定することができる。
【００５２】
第一の容量と第二の容量が測定されると、第一の容量と第二の容量をどのように調整すれば良いかが分かるため、入力端子１１８ａ，１１８ｂに接続される各種部材の設計変更を行って、再びＴＥＧチップを作製する。そして、この新しいＴＥＧチップから再び第一の容量と第二の容量を測定し、入力端子１１８ａ，１１８ｂに接続される各種部材の設計変更を行ってＴＥＧチップを作製する。このような作業を繰り返していくことで、上記条件を満たすような画素１００の最適設計を行う。そして、この設計に基づいて図１に示すような固体撮像素子を作製することで、良好な撮像が可能な固体撮像素子を製造することができる。
【００５３】
このように、各光電変換素子の光電変換感度は、信号読み出し回路１００ｂの入力端子１１８ａ，１１８ｂに接続される部分の容量を調整することで変えることができる。その理由は、この容量が大きくなると、出力トランジスタ２１４ａ，２１４ｂのゲート電圧が上昇しにくくなることから理解することができる。つまり、容量を大きくして出力トランジスタ２１４ａ，２１４ｂのゲート電圧を上昇しにくくすることで、光電変換素子で多くの信号電荷が発生しても、出力トランジスタ２１４ａ，２１４ｂから出力される信号を少なくすることができ、光電変換感度を低くすることができる。その逆に、容量を小さくして出力トランジスタ２１４ａ，２１４ｂのゲート電圧を上昇しやすくすることで、光電変換素子で少しの信号電荷しか発生していない場合でも、出力トランジスタ２１４ａ，２１４ｂから出力される信号を多くすることができ、光電変換感度を高くすることができる。
【００５４】
尚、第一の容量と第二の容量を調整する方法としては色々考えられるが、画素１００内に、容量調整のためのＭＯＳキャパシタ又はＭＩＭキャパシタを設けることが最も簡単な方法である。例えば、入力端子１１８ａ，１１８ｂにＭＯＳキャパシタ又はＭＩＭキャパシタを接続すれば良い。
【００５５】
第一の容量と第二の容量を調整するキャパシタとして最適なのはＭＩＭキャパシタである。ＭＯＳキャパシタは基板バイアス等の周囲の影響を受けやすく、正確な容量実現が難しいためである。以下、ＭＩＭキャパシタを用いて第一の容量と第二の容量を調整する際の好適な態様について説明する。
【００５６】
ＭＩＭキャパシタは、電荷検出セル２１２ａ，２１２ｂの構成要素の上に積層して形成することが好ましい。このようにすることで、画素１００の面積の増大を防ぐことができるためである。通常のＣＭＯＳデバイスの場合、ＭＩＭキャパシタの下部には、電極やＭＯＳトランジスタを置くことはせず、デザインルールチェック（ＤＲＣ）により取り除かれる。その理由はＭＩＭキャパシタが下部の影響を受けてしまうからである。しかし、容量を調整するためにＭＩＭキャパシタを用いる場合には、下部の影響は少ない。このため、ＭＩＭキャパシタを電荷検出セル２１２ａ，２１２ｂ上に積層して形成することが可能である。
【００５７】
又、ＭＩＭキャパシタを電荷検出セル２１２ａ，２１２ｂ上に積層して形成した場合には、ＭＩＭキャパシタを構成する一対の電極のうち、電荷検出セル２１２ａ，２１２ｂに近い方の下部電極を、アルミニウム等の遮光機能を有する材料で構成することが好ましい。このようにすることで、ＭＩＭキャパシタの電極によって、電荷検出セル２１２ａ，２１２ｂを遮光することができ、周辺回路の影響を低減することができる。又、この下部電極に直流バイアス電圧が印加されるように構成したり、この電極を電源ライン又はグランドラインに接続したりすることがより好ましい。
【００５８】
以上のように構成された固体撮像素子において、カラー撮像を行うための構成を説明する。
カラー撮像を可能にするには、図１に示す多数の画素１００を３つの画素１００からなるユニットに分け、各ユニットでカラー画像データの１画素データを生成する構成が考えられる。図４は、図１に示す多数の画素１００を３つの画素１００からなるユニットに分けたときの、ユニットの断面を模式的に示した図である。図４において、高感度の光電変換を行う光電変換素子には（Ｈ）を、低感度の光電変換を行う光電変換素子には（Ｌ）を記した。
【００５９】
図４に示すように、１つのユニットには３つの画素１００が含まれており、一番左の画素１００の構成は、基板上光電変換素子２００ａが赤色（Ｒ）の波長域の光を検出し、基板内光電変換素子２００ｂがシアン（Ｃｙ）の波長域の光を検出するように構成されている。真ん中の画素１００の構成は、基板上光電変換素子２００ａが青色（Ｂ）の波長域の光を検出し、基板内光電変換素子２００ｂがイエロー（Ｙｅ）の波長域の光を検出するように構成されている。一番右の画素１００の構成は、基板上光電変換素子２００ａが緑色（Ｇ）の波長域の光を検出し、基板内光電変換素子２００ｂがマゼンタ（Ｍｇ）の波長域の光を検出するように構成されている。
【００６０】
このように構成することで、図４を見て分かるように、１つのユニットからは、低感度のＢ信号，Ｇ信号，Ｒ信号と、高感度のＣｙ信号，Ｙｅ信号，Ｍｇ信号を得ることができる。又、信号処理により、高感度のＣｙ信号，Ｙｅ信号，Ｍｇ信号からは、高感度のＢ信号，Ｇ信号，Ｒ信号を得ることができる。つまり、１つのユニットからは、ＲＧＢ各色毎に、高感度と低感度の２つの信号が得られるため、ＲＧＢ各色毎にこれら２つの信号を合成することで、固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００６１】
従来の単板式のイメージセンサで、画像合成によりダイナミックレンジの拡大を図ろうとすると、１画素データを生成するために、ＲＧＢ各色毎に高感度と低感度の２つの信号を得るための６つの光電変換素子がシリコン基板内に必要となる。これに対し、本実施形態の固体撮像素子によれば、１画素データを生成するために必要なシリコン基板内の光電変換素子は３つで良い。このため、解像度の低下を招くことなく、ダイナミックレンジを向上させることができる。
【００６２】
具体的には、本実施形態の固体撮像素子によれば、７０ｄＢ以上、より好ましくは９０ｄＢ以上、より好ましくは１２０ｄＢ以上のダイナミックレンジを実現することができ、従来実用化されていた固体撮像素子に比べて、３桁以上照度領域を広げることが可能となり、銀塩感材に唯一劣っていたダイナミックレンジを同等性能まで持っていくことができる。
【００６３】
又、以上説明した固体撮像素子は、特許文献１〜３に記載のような撮像素子の特徴を併せ持っているため、単板式のイメージセンサよりも高画質の撮像を行うことができる。又、以上説明した固体撮像素子は、シリコン基板上に基板上光電変換素子を１つ積層するだけで良いため、その製造が容易であり、量産化に適している。
【００６４】
尚、図４に示す３つの画素１００の各々において、基板上光電変換素子２００ａと基板内光電変換素子２００ｂで検出する光の波長域を逆にしても、同様にダイナミックレンジを拡大したカラー撮像が可能となる。
【００６５】
又、図４において、一番左の画素１００の基板内光電変換素子２００ｂをＲの波長域の光を検出するものとし、真ん中の画素１００の基板内光電変換素子２００ｂをＢの波長域の光を検出するものとし、一番右の画素１００の基板内光電変換素子２００ｂをＧの波長域の光を検出するものとしても、同様にダイナミックレンジを拡大したカラー撮像が可能となる。
【００６６】
以上の説明では、信号読み出し回路１００ｂ内に、基板上光電変換素子２００ａと基板内光電変換素子２００ｂのそれぞれに対応させて電荷検出セルを設けるものとしたが、電荷検出セルを基板上光電変換素子２００ａと基板内光電変換素子２００ｂとで共通化することも可能である。このようにすることで、画素１００の面積を小さくすることが可能となる。
【００６７】
図５は、図３に示す信号読み出し回路１００ｂの変形例を示す回路図である。図３と同じ構成には同一符号を付してある。
図５に示す信号読み出し回路１００ｂは、図３に示す信号読み出し回路１００ｂにおいて、電荷検出セル２１２ｂを削除し、入力端子１１８ａと電荷検出セル２１２ａとの間に、基板上光電変換素子２００ａを選択するための素子選択用トランジスタ２１３ａを設け、入力端子１１８ｂと電荷検出セル２１２ａとの間に、基板内光電変換素子２００ｂを選択するための素子選択用トランジスタ２１３ｂを設けた構成となっている。
【００６８】
信号読み出し回路１００ｂを図５に示す構成にした場合の固体撮像素子の平面図は、図１において、信号出力線１１１ｂとリセット信号線１０９ｂと行選択信号線１１０ｂを削除し、代わりに、素子選択用トランジスタ２１３ａに駆動信号を供給するための素子選択用信号線１０８ａと、素子選択用トランジスタ２１３ｂに駆動信号を供給するための素子選択用信号線１０８ｂとを追加したものとなる。素子選択用信号線１０８ａ，１０８ｂは、各画素１００の信号読み出し回路１００ｂと行選択走査部１０２とに接続される。
【００６９】
図５に示すように、素子選択用トランジスタ２１３ａのソースには入力端子１１８ａが接続され、ゲートには素子選択用信号線１０８ａが接続され、ドレインには電荷検出セル２１２ａが接続される。同様に、素子選択用トランジスタ２１３ｂのソースには入力端子１１８ｂが接続され、ゲートには素子選択用信号線１０８ｂが接続され、ドレインには電荷検出セル２１２ａが接続される。
【００７０】
このように構成された信号読み出し回路１００ｂでは、基板内光電変換素子２００ｂから信号を読み出す場合、素子選択用トランジスタ２１３ｂに駆動信号を供給して、素子選択用トランジスタ２１３ｂを導通状態にして、基板内光電変換素子２００ｂを選択する。これにより、電荷検出セル２１２ａからは、基板内光電変換素子２００ｂで発生した信号電荷に応じた信号が出力される。同様に、基板上光電変換素子２００ａから信号を読み出す場合、素子選択用トランジスタ２１３ａに駆動信号を供給して、素子選択用トランジスタ２１３ａを導通状態にして、基板上光電変換素子２００ａを選択する。これにより、電荷検出セル２１２ａからは、基板上光電変換素子２００ａで発生した信号電荷に応じた信号が出力される。
【００７１】
図５に示すような信号読み出し回路を採用した場合、上述した第一の容量は、電荷検出セル２１２ａから基板上光電変換素子２００ａを見たときの容量、即ち、基板上光電変換素子２００ａが素子選択用トランジスタ２１３ａによって選択された状態で、電荷検出セル２１２ａの入力に接続されている部分の容量となり、上述した第二の容量は、電荷検出セル２１２ａから基板内光電変換素子２００ｂを見たときの容量、即ち、基板内光電変換素子２００ｂが素子選択用トランジスタ２１３ｂによって選択された状態で、電荷検出セル２１２ａの入力に接続されている部分の容量となる。
【００７２】
図６は、図５に示した信号読み出し回路に、第一の容量と第二の容量を調整するためのキャパシタを追加した回路例を示す図である。図６において図５と同じ構成には同一符号を付してある。
図６に示すように、入力端子１１８ｂと素子選択用トランジスタ２１３ｂとの間にキャパシタＣｂを接続し、このキャパシタＣｂにキャパシタラインＬｂを接続すれば良い。同様に、入力端子１１８ａと素子選択用トランジスタ２１３ａとの間にキャパシタＣａを接続し、このキャパシタＣａにキャパシタラインＬａを接続すれば良い。尚、キャパシタラインＬａ，Ｌｂは、それぞれ共通化されていても良い。又、キャパシタＣａ，Ｃｂも共通の１つのキャパシタとしても良い。
【００７３】
以下、受光部１００ａの具体的な構成例について説明するがこれに限定されない。以下の説明では、基板上光電変換素子を有機層、基板内光電変換素子を無機層という。
【００７４】
青光を吸収する光電変換素子は少なくとも４００〜５００ｎｍの光を吸収することができ、好ましくはその波長域でのピ−ク波長の吸収率は５０％以上である。緑光を吸収する光電変換素子は少なくとも５００〜６００ｎｍの光を吸収することができ、好ましくはその波長域でのピ−ク波長の吸収率は５０％以上である。赤光を吸収する光電変換素子は少なくとも６００〜７００ｎｍの光を吸収することができ、好ましくはその波長域でのピ−ク波長の吸収率は５０％以上である。
これらの層の序列はいずれの序列でも良く、３層積層型構造の場合は上層からＢＧＲ、ＢＲＧ、ＧＢＲ、ＧＲＢ、ＲＢＧ、ＲＧＢの序列が可能である。好ましくは最上層がＧである。２層積層型構造の場合は上層がＲ層の場合は下層が同一平面状にＢＧ層、上層がＢ層の場合は下層が同一平面状にＧＲ層、上層がＧ層の場合は下層が同一平面状にＢＲ層が形成される。好ましくは上層がＧ層で下層が同一平面状にＢＲ層である。このように下層の同一平面状に２つの光吸収層が設けられる場合には上層の上もしくは上層と下層の間に色分別できるフィルタ−層を例えばモザイク状に設けることが好ましい。場合により４層目以上の層を新たな層としてもしくは同一平面状に設けることが可能である。
【００７５】
（有機層の説明）
つぎに、本実施形態における有機層について説明する。有機層は電磁波を吸収する部位、光電変換部位、電子輸送部位、正孔輸送部位、電子ブロッキング部位、正孔ブロッキング部位、結晶化防止部位、電極ならびに層間接触改良部位等の積み重ねもしくは混合から形成される。有機層は有機ｐ型化合物または有機ｎ型化合物を含有することが好ましい。有機ｐ型半導体（化合物）は、ドナー性有機半導体（化合物）であり、主に正孔輸送性有機化合物に代表され、電子を供与しやすい性質がある有機化合物をいう。さらに詳しくは２つの有機材料を接触させて用いたときにイオン化ポテンシャルの小さい方の有機化合物をいう。したがって、ドナー性有機化合物は、電子供与性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。例えば、トリアリールアミン化合物、ベンジジン化合物、ピラゾリン化合物、スチリルアミン化合物、ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、カルバゾール化合物、ポリシラン化合物、チオフェン化合物、フタロシアニン化合物、シアニン化合物、メロシアニン化合物、オキソノール化合物、ポリアミン化合物、インドール化合物、ピロール化合物、ピラゾール化合物、ポリアリーレン化合物、縮合芳香族炭素環化合物（ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体）、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体等を用いることができる。なお、これに限らず、上記したように、ｎ型（アクセプター性）化合物として用いた有機化合物よりもイオン化ポテンシャルの小さい有機化合物であればドナー性有機半導体として用いてよい。
【００７６】
有機ｎ型半導体（化合物）は、アクセプター性有機半導体（化合物）であり、主に電子輸送性有機化合物に代表され、電子を受容しやすい性質がある有機化合物をいう。さらに詳しくは２つの有機化合物を接触させて用いたときに電子親和力の大きい方の有機化合物をいう。したがって、アクセプター性有機化合物は、電子受容性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。例えば、縮合芳香族炭素環化合物（ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体）、窒素原子、酸素原子、硫黄原子を含有する５ないし７員のヘテロ環化合物（例えばピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、キノリン、キノキサリン、キナゾリン、フタラジン、シンノリン、イソキノリン、プテリジン、アクリジン、フェナジン、フェナントロリン、テトラゾール、ピラゾール、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、インダゾール、ベンズイミダゾール、ベンゾトリアゾール、ベンゾオキサゾール、ベンゾチアゾール、カルバゾール、プリン、トリアゾロピリダジン、トリアゾロピリミジン、テトラザインデン、オキサジアゾール、イミダゾピリジン、ピラリジン、ピロロピリジン、チアジアゾロピリジン、ジベンズアゼピン、トリベンズアゼピン等）、ポリアリーレン化合物、フルオレン化合物、シクロペンタジエン化合物、シリル化合物、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体などが挙げられる。なお、これに限らず、上記したように、ドナー性有機化合物として用いた有機化合物よりも電子親和力の大きな有機化合物であればアクセプター性有機半導体として用いてよい。
【００７７】
ｐ型有機色素、又はｎ型有機色素としては、いかなるものを用いても良いが、好ましくは、シアニン色素、スチリル色素、ヘミシアニン色素、メロシアニン色素（ゼロメチンメロシアニン（シンプルメロシアニン）を含む）、３核メロシアニン色素、４核メロシアニン色素、ロダシアニン色素、コンプレックスシアニン色素、コンプレックスメロシアニン色素、アロポーラー色素、オキソノール色素、ヘミオキソノール色素、スクアリウム色素、クロコニウム色素、アザメチン色素、クマリン色素、アリーリデン色素、アントラキノン色素、トリフェニルメタン色素、アゾ色素、アゾメチン色素、スピロ化合物、メタロセン色素、フルオレノン色素、フルギド色素、ペリレン色素、フェナジン色素、フェノチアジン色素、キノン色素、インジゴ色素、ジフェニルメタン色素、ポリエン色素、アクリジン色素、アクリジノン色素、ジフェニルアミン色素、キナクリドン色素、キノフタロン色素、フェノキサジン色素、フタロペリレン色素、ポルフィリン色素、クロロフィル色素、フタロシアニン色素、金属錯体色素、縮合芳香族炭素環系色素（ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体）が挙げられる。
【００７８】
次に金属錯体化合物について説明する。金属錯体化合物は金属に配位する少なくとも１つの窒素原子または酸素原子または硫黄原子を有する配位子をもつ金属錯体であり、金属錯体中の金属イオンは特に限定されないが、好ましくはベリリウムイオン、マグネシウムイオン、アルミニウムイオン、ガリウムイオン、亜鉛イオン、インジウムイオン、または錫イオンであり、より好ましくはベリリウムイオン、アルミニウムイオン、ガリウムイオン、または亜鉛イオンであり、更に好ましくはアルミニウムイオン、または亜鉛イオンである。前記金属錯体中に含まれる配位子としては種々の公知の配位子が有るが、例えば、「Photochemistry and Photophysics of Coordination Compounds」 Springer-Verlag社 H.Yersin著１９８７年発行、「有機金属化学−基礎と応用−」裳華房社山本明夫著１９８２年発行等に記載の配位子が挙げられる。
【００７９】
前記配位子として、好ましくは含窒素ヘテロ環配位子（好ましくは炭素数１〜３０、より好ましくは炭素数２〜２０、特に好ましくは炭素数３〜１５であり、単座配位子であっても２座以上の配位子であっても良い。好ましくは２座配位子である。例えばピリジン配位子、ビピリジル配位子、キノリノール配位子、ヒドロキシフェニルアゾール配位子（ヒドロキシフェニルベンズイミダゾール、ヒドロキシフェニルベンズオキサゾール配位子、ヒドロキシフェニルイミダゾール配位子）などが挙げられる）、アルコキシ配位子（好ましくは炭素数１〜３０、より好ましくは炭素数１〜２０、特に好ましくは炭素数１〜１０であり、例えばメトキシ、エトキシ、ブトキシ、２−エチルヘキシロキシなどが挙げられる。）、アリールオキシ配位子（好ましくは炭素数６〜３０、より好ましくは炭素数６〜２０、特に好ましくは炭素数６〜１２であり、例えばフェニルオキシ、１−ナフチルオキシ、２−ナフチルオキシ、２，４，６−トリメチルフェニルオキシ、４−ビフェニルオキシなどが挙げられる。）、ヘテロアリールオキシ配位子（好ましくは炭素数１〜３０、より好ましくは炭素数１〜２０、特に好ましくは炭素数１〜１２であり、例えばピリジルオキシ、ピラジルオキシ、ピリミジルオキシ、キノリルオキシなどが挙げられる。）、アルキルチオ配位子（好ましくは炭素数１〜３０、より好ましくは炭素数１〜２０、特に好ましくは炭素数１〜１２であり、例えばメチルチオ、エチルチオなどが挙げられる。）、アリールチオ配位子（好ましくは炭素数６〜３０、より好ましくは炭素数６〜２０、特に好ましくは炭素数６〜１２であり、例えばフェニルチオなどが挙げられる。）、ヘテロ環置換チオ配位子（好ましくは炭素数１〜３０、より好ましくは炭素数１〜２０、特に好ましくは炭素数１〜１２であり、例えばピリジルチオ、２−ベンズイミゾリルチオ、２−ベンズオキサゾリルチオ、２−ベンズチアゾリルチオなどが挙げられる。）、またはシロキシ配位子（好ましくは炭素数１〜３０、より好ましくは炭素数３〜２５、特に好ましくは炭素数６〜２０であり、例えば、トリフェニルシロキシ基、トリエトキシシロキシ基、トリイソプロピルシロキシ基などが挙げられる）であり、より好ましくは含窒素ヘテロ環配位子、アリールオキシ配位子、ヘテロアリールオキシ基、またはシロキシ配位子であり、更に好ましくは含窒素ヘテロ環配位子、アリールオキシ配位子、またはシロキシ配位子が挙げられる。
【００８０】
本実施形態においては、１対の電極間に、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とを有し、該ｐ型半導体とｎ型半導体の少なくともいずれかが有機半導体であり、かつ、それらの半導体層の間に、該ｐ型半導体およびｎ型半導体を含むバルクヘテロ接合構造層を中間層として有する光電変換膜（感光層）を含有する場合が好ましい。このような場合、光電変換膜において、有機層にバルクへテロ接合構造を含有させることにより有機層のキャリア拡散長が短いという欠点を補い、光電変換効率を向上させることができる。なお、バルクへテロ接合構造については、特願２００４−０８０６３９号において詳細に説明されている。
【００８１】
本実施形態において、１対の電極間にｐ型半導体の層とｎ型半導体の層で形成されるｐｎ接合層の繰り返し構造（タンデム構造）の数を２以上有する構造を持つ光電変換膜（感光層）を含有する場合が好ましく、さらに好ましくは、前記繰り返し構造の間に、導電材料の薄層を挿入する場合である。ｐｎ接合層の繰り返し構造（タンデム構造）の数はいかなる数でもよいが、光電変換効率を高くするために好ましくは２〜５０であり、さらに好ましくは２〜３０であり、特に好ましくは２または１０である。導電材料としては銀または金が好ましく、銀が最も好ましい。なお、タンデム構造については、特願２００４−０７９９３０号において詳細に説明されている。
１対の電極間にｐ型半導体の層、ｎ型半導体の層、（好ましくは混合・分散（バルクヘテロ接合構造）層）を持つ光電変換膜において、ｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも１方に配向制御された有機化合物を含むことを特徴とする光電変換膜の場合が好ましく、さらに好ましくは、ｐ型半導体及びｎ型半導体の両方に配向制御された（可能な）有機化合物を含む場合である。光電変換膜の有機層に用いられる有機化合物としては、π共役電子を持つものが好ましく用いられるが、このπ電子平面が、基板（電極基板）に対して垂直ではなく、平行に近い角度で配向しているほど好ましい。基板に対する角度として好ましくは０°以上８０°以下であり、さらに好ましくは０°以上６０°以下であり、さらに好ましくは０°以上４０°以下であり、さらに好ましくは０°以上２０°以下であり、特に好ましくは０°以上１０°以下であり、最も好ましくは０°（すなわち基板に対して平行）である。上記のように、配向の制御された有機化合物の層は、有機層全体に対して一部でも含めば良いが、好ましくは、有機層全体に対する配向の制御された部分の割合が１０％以上の場合であり、さらに好ましくは３０％以上、さらに好ましくは５０％以上、さらに好ましくは７０％以上、特に好ましくは９０％以上、最も好ましくは１００％である。このような状態は、光電変換膜において、有機層の有機化合物の配向を制御することにより有機層のキャリア拡散長が短いという欠点を補い、光電変換効率を向上させるものである。
【００８２】
有機化合物の配向が制御されている場合において、さらに好ましくはヘテロ接合面（例えばｐｎ接合面）が基板に対して平行ではない場合である。ヘテロ接合面が、基板（電極基板）に対して平行ではなく、垂直に近い角度で配向しているほど好ましい。基板に対する角度として好ましくは１０°以上９０°以下であり、さらに好ましくは３０°以上９０°以下であり、さらに好ましくは５０°以上９０°以下であり、さらに好ましくは７０°以上９０°以下であり、特に好ましくは８０°以上９０°以下であり、最も好ましくは９０°（すなわち基板に対して垂直）である。上記のような、ヘテロ接合面の制御された有機化合物の層は、有機層全体に対して一部でも含めば良い。好ましくは、有機層全体に対する配向の制御された部分の割合が１０％以上の場合であり、さらに好ましくは３０％以上、さらに好ましくは５０％以上、さらに好ましくは７０％以上、特に好ましくは９０％以上、最も好ましくは１００％である。このような場合、有機層におけるヘテロ接合面の面積が増大し、界面で生成する電子、正孔、電子正孔ペア等のキャリア量が増大し、光電変換効率の向上が可能となる。以上の、有機化合物のヘテロ接合面とπ電子平面の両方の配向が制御された光電変換膜（光電変換膜）において、特に光電変換効率の向上が可能である。これらの状態については、特願２００４−０７９９３１号において詳細に説明されている。
光吸収の点では有機色素層の膜厚は大きいほど好ましいが、電荷分離に寄与しない割合を考慮すると、本実施形態における有機色素層の膜厚として好ましくは、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、さらに好ましくは５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下、特に好ましくは８０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
【００８３】
（有機層の形成法）
これらの有機化合物を含む層は、乾式成膜法あるいは湿式成膜法により成膜される。乾式成膜法の具体的な例としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法，ＭＢＥ法等の物理気相成長法あるいはプラズマ重合等のＣＶＤ法が挙げられる。湿式成膜法としては、キャスト法、スピンコート法、ディッピング法、ＬＢ法等が用いられる。
【００８４】
ｐ型半導体（化合物）、又は、ｎ型半導体（化合物）のうちの少なくとも一つとして高分子化合物を用いる場合は、作成の容易な湿式成膜法により成膜することが好ましい。蒸着等の乾式成膜法を用いた場合、高分子を用いることは分解のおそれがあるため難しく、代わりとしてそのオリゴマーを好ましく用いることができる。一方、本実施形態において、低分子を用いる場合は、乾式成膜法が好ましく用いられ、特に真空蒸着法が好ましく用いられる。真空蒸着法は抵抗加熱蒸着法、電子線加熱蒸着法等の化合物の加熱の方法、るつぼ、ボ−ト等の蒸着源の形状、真空度、蒸着温度、基盤温度、蒸着速度等が基本的なパラメ−タ−である。均一な蒸着を可能とするために基盤を回転させて蒸着することは好ましい。真空度は高い方が好ましく１０−４Ｔｏｒｒ以下、好ましくは１０−６Ｔｏｒｒ以下、特に好ましくは１０−８Ｔｏｒｒ以下で真空蒸着が行われる。蒸着時のすべての工程は真空中で行われることが好ましく、基本的には化合物が直接、外気の酸素、水分と接触しないようにする。真空蒸着の上述した条件は有機膜の結晶性、アモルファス性、密度、緻密度等に影響するので厳密に制御する必要がある。水晶振動子、干渉計等の膜厚モニタ−を用いて蒸着速度をＰＩもしくはＰＩＤ制御することは好ましく用いられる。２種以上の化合物を同時に蒸着する場合には共蒸着法、フラッシュ蒸着法等を好ましく用いることができる。
【００８５】
（電極膜）
対向電極膜は正孔輸送性光電変換膜または正孔輸送層から正孔を取り出すことが好ましく、金属、合金、金属酸化物、電気伝導性化合物、またはこれらの混合物などを用いることができる材料である。画素電極膜は電子輸送性光電変換層または電子輸送層から電子を取り出すことが好ましく、電子輸送性光電変換層、電子輸送層などの隣接する層との密着性や電子親和力、イオン化ポテンシャル、安定性等を考慮して選ばれる。これらの具体例としては酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の導電性金属酸化物、あるいは金、銀、クロム、ニッケル等の金属、さらにこれらの金属と導電性金属酸化物との混合物または積層物、ヨウ化銅、硫化銅などの無機導電性物質、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールなどの有機導電性材料、シリコン化合物およびこれらとＩＴＯとの積層物などが挙げられ、好ましくは、導電性金属酸化物であり、特に、生産性、高導電性、透明性等の点からＩＴＯ、ＩＺＯが好ましい。膜厚は材料により適宜選択可能であるが、通常１０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲のものが好ましく、より好ましくは３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、更に好ましくは５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
【００８６】
画素電極膜、対向電極膜の作製には材料によって種々の方法が用いられるが、例えばＩＴＯの場合、電子ビーム法、スパッタリング法、抵抗加熱蒸着法、化学反応法（ゾルーゲル法など）、酸化インジウムスズの分散物の塗布などの方法で膜形成される。ＩＴＯの場合、ＵＶ−オゾン処理、プラズマ処理などを施すことができる。
【００８７】
本実施形態においては透明電極膜をプラズマフリーで作製することが好ましい。プラズマフリーで透明電極膜を作成することで、プラズマが基板に与える影響を少なくすることができ、光電変換特性を良好にすることができる。ここで、プラズマフリーとは、透明電極膜の成膜中にプラズマが発生しないか、またはプラズマ発生源から基体までの距離が２ｃｍ以上、好ましくは１０ｃｍ以上、更に好ましくは２０ｃｍ以上であり、基体に到達するプラズマが減ずるような状態を意味する。
【００８８】
透明電極膜の成膜中にプラズマが発生しない装置としては、例えば、電子線蒸着装置（ＥＢ蒸着装置）やパルスレーザー蒸着装置がある。ＥＢ蒸着装置またはパルスレーザー蒸着装置については、沢田豊監修「透明導電膜の新展開」（シーエムシー刊、１９９９年）、沢田豊監修「透明導電膜の新展開ＩＩ」（シーエムシー刊、２００２年）、日本学術振興会著「透明導電膜の技術」（オーム社、１９９９年）、及びそれらに付記されている参考文献等に記載されているような装置を用いることができる。以下では、ＥＢ蒸着装置を用いて透明電極膜の成膜を行う方法をＥＢ蒸着法と言い、パルスレーザー蒸着装置を用いて透明電極膜の成膜を行う方法をパルスレーザー蒸着法と言う。
【００８９】
プラズマ発生源から基体への距離が２ｃｍ以上であって基体へのプラズマの到達が減ずるような状態を実現できる装置（以下、プラズマフリーである成膜装置という）については、例えば、対向ターゲット式スパッタ装置やアークプラズマ蒸着法などが考えられ、それらについては沢田豊監修「透明導電膜の新展開」（シーエムシー刊、１９９９年）、沢田豊監修「透明導電膜の新展開ＩＩ」（シーエムシー刊、２００２年）、日本学術振興会著「透明導電膜の技術」（オーム社、１９９９年）、及びそれらに付記されている参考文献等に記載されているような装置を用いることができる。
【００９０】
本実施形態の透明電極膜の材料は、プラズマフリーである成膜装置、ＥＢ蒸着装置、及びパルスレーザー蒸着装置により成膜できるものが好ましい。例えば、金属、合金、金属酸化物、金属窒化物、金属ホウ化物、有機導電性化合物、これらの混合物等が好適に挙げられ、具体例としては、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化インジウムタングステン（ＩＷＯ）等の導電性金属酸化物、窒化チタン等の金属窒化物、金、白金、銀、クロム、ニッケル、アルミニウム等の金属、更にこれらの金属と導電性金属酸化物との混合物又は積層物、ヨウ化銅、硫化銅などの無機導電性物質、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロ−ル等の有機導電性材料、これらとＩＴＯとの積層物、などが挙げられる。また、沢田豊監修「透明導電膜の新展開」（シーエムシー刊、１９９９年）、沢田豊監修「透明導電膜の新展開ＩＩ」（シーエムシー刊、２００２年）、日本学術振興会著「透明導電膜の技術」（オーム社、１９９９年）等に詳細に記載されているものを用いても良い。
【００９１】
透明電極膜の材料として特に好ましいのは、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＳｎＯ2、ＡＴＯ（アンチモンドープ酸化スズ）、ＺｎＯ、ＡＺＯ（Ａｌドープ酸化亜鉛）、ＧＺＯ（ガリウムドープ酸化亜鉛）、ＴｉＯ2、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）のいずれかの材料である。透明電極膜の光透過率は、その透明電極膜を含む固体撮像素子に含まれる光電変換膜の光電変換光吸収ピーク波長において、６０％以上が好ましく、より好ましくは８０％以上で、より好ましくは９０％以上、より好ましくは９５％以上である。また、透明電極膜の表面抵抗は、画素電極であるか対向電極であるか、さらには電荷蓄積／転送・読み出し部位がＣＣＤ構造であるかＣＭＯＳ構造であるか等により好ましい範囲は異なる。対向電極に使用し電荷蓄積／転送／読み出し部位がＣＭＯＳ構造の場合には１００００Ω／□以下が好ましく、より好ましくは、１０００Ω／□以下である。対向電極に使用し電荷蓄積／転送／読み出し部位がＣＣＤ構造の場合には１０００Ω／□以下が好ましく、より好ましくは、１００Ω／□以下である。画素電極に使用する場合には１００００００Ω／□以下が好ましく、より好ましくは、１０００００Ω／□以下である。
【００９２】
透明電極膜成膜時の条件について触れる。透明電極膜成膜時の基板温度は５００℃以下が好ましく、より好ましくは、３００℃以下で、さらに好ましくは２００℃以下、さらに好ましくは１５０℃以下である。また、透明電極膜成膜中にガスを導入しても良く、基本的にそのガス種は制限されないが、Ａｒ、Ｈｅ、酸素、窒素などを用いることができる。また、これらのガスの混合ガスを用いても良い。特に酸化物の材料の場合は、酸素欠陥が入ることが多いので、酸素を用いることが好ましい。
【００９３】
本実施形態の光電変換膜に電圧を印加した場合、光電変換効率が向上する点で好ましい。印加電圧としては、いかなる電圧でも良いが、光電変換膜の膜厚により必要な電圧は変わってくる。すなわち、光電変換効率は、光電変換膜に加わる電場が大きいほど向上するが、同じ印加電圧でも光電変換膜の膜厚が薄いほど加わる電場は大きくなる。従って、光電変換膜の膜厚が薄い場合は、印加電圧は相対的に小さくでも良い。光電変換膜に加える電場として好ましくは、10V/m以上であり、さらに好ましくは1×103V/m以上、さらに好ましくは1×105V/m以上、特に好ましくは1×106V/m以上、最も好ましくは1×107V/ m以上である。上限は特にないが、電場を加えすぎると暗所でも電流が流れ好ましくないので、1×1012V/m以下が好ましく、さらに1×109V/m以下が好ましい。
【００９４】
（無機層）
無機層としては結晶シリコン、アモルファスシリコン、ＧａＡｓなどの化合物半導体のｐｎ接合またはｐｉｎ接合が一般的に用いられる。積層型構造としてＵＳ特許５９６５８７５号に開示されている方法を採用することができる。すなわちシリコンの吸収係数の波長依存性を利用して積層された受光部を形成し、その深さ方向で色分離を行う構成である。この場合、シリコンの光進入深さで色分離を行っているため積層された各受光部で検知するスペクトル範囲はブロードとなる。しかしながら、前述した有機層を上層に用いることにより、すなわち有機層を透過した光をシリコンの深さ方向で検出することにより色分離が顕著に改良される。特に有機層にＧ層を配置すると有機層を投下する光はＢ光とＲ光になるためにシリコンでの深さ方向での光の分別はＢＲ光のみとなり色分離が改良される。有機層がＢ層またはＲ層の場合でもシリコンの電磁波吸収／光電変換部位を深さ方向で適宜選択することにより顕著に色分離が改良される。有機層が２層の場合にはシリコンでの電磁波吸収／光電変換部位としての機能は基本的には１色で良く、好ましい色分離が達成できる。
【００９５】
無機層は好ましくは、半導体基板内の深さ方向に、画素毎に複数のフォトダイオードが重層され、前記複数のフォトダイオードに吸収される光によって各フォトダイオードに生じる信号電荷に応じた色信号を外部に読み出す構造である。好ましくは、前記複数のフォトダイオードは、Ｂ光を吸収する深さに設けられる第１のフォトダイオードと、Ｒ光を吸収する深さに設けられる第２のフォトダイオードの少なくとも１つとを含み、前記複数のフォトダイオードの各々に生じる前記信号電荷に応じた色信号を読み出す色信号読み出し回路を備えることが好ましい。この構成により、カラーフィルタを用いることなく色分離を行うことができる。又、場合によっては、負感度成分の光も検出することができるため、色再現性の良いカラー撮像が可能となる。又、本実施形態においては、前記第１のフォトダイオードの接合部は、前記半導体基板表面から約０．２μｍまでの深さに形成され、前記第２のフォトダイオードの接合部は、前記半導体基板表面から約２μｍまでの深さに形成されることが好ましい。
【００９６】
無機層についてさらに詳細に説明する。無機層の好ましい構成としては、光伝導型、ｐ−ｎ接合型、ショットキー接合型、ＰＩＮ接合型、ＭＳＭ（金属−半導体−金属）型の受光素子やフォトトランジスタ型の受光素子が挙げられる。本実施形態では、単一の半導体基板内に、第１導電型の領域と、前記第１導電型と逆の導電型である第２導電型の領域とを交互に複数積層し、前記第１導電型及び第２導電型の領域の各接合面を、それぞれ異なる複数の波長帯域の光を主に光電変換するために適した深さに形成してなる受光素子を用いることが好ましい。単一の半導体基板としては、単結晶シリコンが好ましく、シリコン基板の深さ方向に依存する吸収波長特性を利用して色分離を行うことができる。
【００９７】
無機半導体として、ＩｎＧａＮ系、ＩｎＡｌＮ系、ＩｎＡｌＰ系、又はＩｎＧａＡｌＰ系の無機半導体を用いることもできる。ｎＧａＮ系の無機半導体は、Ｉｎの含有組成を適宜変更し、青色の波長範囲内に極大吸収値を有するよう調整されたものである。すなわち、ＩｎxＧａ1-xＮ（０≦Ｘ＜１）の組成となる。このような化合物半導体は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて製造される。  Ｇａと同じ１３族原料のＡｌを用いる窒化物半導体のＩｎＡｌＮ系についても、ＩｎＧａＮ系と同様に短波長受光部として利用することができる。また、ＧａＡｓ基板に格子整合するＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＡｌＰを用いることもできる
【００９８】
無機半導体は、埋め込み構造となっていてもよい。埋め込み構造とは、短波長受光部部分の両端を短波長受光部とは異なる半導体で覆われる構成のものをいう。両端を覆う半導体としては、短波長受光部のバンドギャップ波長より短い又は同等のバンドギャップ波長を有する半導体であることが好ましい。
【００９９】
有機層と無機層とは、どのような形態で結合されていてもよい。また、有機層と無機層との間には、電気的に絶縁するために、絶縁層を設けることが好ましい。
【０１００】
接合は、光入射側から、ｎｐｎ、又はｐｎｐｎとなっていることが好ましい。特に、表面にｐ層を設け表面の電位を高くしておくことで、表面付近で発生した正孔、及び暗電流をトラップすることができ暗電流を低減できるため、ｐｎｐｎ接合とすることがより好ましい。
【０１０１】
このようなフォトダイオードは、ｐ型シリコン基板表面から順次拡散される、ｎ型層、ｐ型層、ｎ型層、ｐ型層をこの順に深く形成することで、ｐｎ接合ダイオードがシリコンの深さ方向にｐｎｐｎの４層が形成される。ダイオードに表面側から入射した光は波長の長いものほど深く侵入し、入射波長と減衰係数はシリコン固有の値を示すので、ｐｎ接合面の深さが可視光の各波長帯域をカバーするように設計する。同様に、ｎ型層、ｐ型層、ｎ型層の順に形成することで、ｎｐｎの３層の接合ダイオードが得られる。ここで、ｎ型層から光信号を取り出し、ｐ型層はアースに接続する。
【０１０２】
また、各領域に引き出し電極を設け、所定のリセット電位をかけると、各領域が空乏化し、各接合部の容量は限りなく小さい値になる。これにより、接合面に生じる容量を極めて小さくすることができる。
【０１０３】
（補助層）
本実施形態においては、好ましくは有機層の最上層に紫外線吸収層および／または赤外線吸収層を有する。紫外線吸収層は少なくとも４００ｎｍ以下の光を吸収または反射することができ、好ましくは４００ｎｍ以下の波長域での吸収率は５０％以上である。赤外線吸収層は少なくとも７００ｎｍ以上の光を吸収または反射することができ、好ましくは７００ｎｍ以上の波長域での吸収率は５０％以上である。
【０１０４】
これらの紫外線吸収層、赤外線吸収層は従来公知の方法によって形成できる。例えば基板上にゼラチン、カゼイン、グリューあるいはポリビニルアルコールなどの親水性高分子物質からなる媒染層を設け、その媒染層に所望の吸収波長を有する色素を添加もしくは染色して着色層を形成する方法が知られている。さらには、ある種の着色材が透明樹脂中に分散されてなる着色樹脂を用いた方法が知られている。例えば、特開昭58−46325号公報，特開昭60−78401号公報，特開昭60−184202号公報，特開昭60−184203号公報，特開昭60−184204号公報，特開昭60−184205号公報等に示されている様に、ポリアミノ系樹脂に着色材を混合した着色樹脂膜を用いることができる。感光性を有するポリイミド樹脂を用いた着色剤も可能である。
【０１０５】
特公平７−１１３６８５記載の感光性を有する基を分子内に持つ、２００℃以下にて硬化膜を得ることのできる芳香族系のポリアミド樹脂中に着色材料を分散すること、特公平７−６９４８６記載の含量を分散着色樹脂を用いることも可能である。
【０１０６】
本実施形態においては好ましくは誘電体多層膜が用いられる。誘電体多層膜は光の透過の波長依存性がシャ−プであり、好ましく用いられる。各有機層は絶縁層により分離されていることが好ましい。絶縁層は、ガラス、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン等の透明性絶縁材料を用いて形成することができる。窒化珪素、酸化珪素等も好ましく用いられる。プラズマＣＶＤで製膜した窒化珪素は緻密性が高く透明性も良いために本実施形態においては好ましく用いられる。
【０１０７】
酸素や水分等との接触を防止する目的で保護層あるいは封止層を設けることもできる。保護層としては、ダイヤモンド薄膜、金属酸化物、金属窒化物等の無機材料膜、フッ素樹脂、ポリパラキシレン、ポリエチレン、シリコン樹脂、ポリスチレン樹脂等の高分子膜、さらには、光硬化性樹脂等が挙げられる。また、ガラス、気体不透過性プラスチック、金属などで素子部分をカバーし、適当な封止樹脂により素子自体をパッケージングすることもできる。この場合吸水性の高い物質をパッケージング内に存在させることも可能である。更に、マイクロレンズアレイを受光素子の上部に形成することにより、集光効率を向上させることができるため、このような態様も好ましい。
【０１０８】
（電荷蓄積／転送／読み出し部位）
電荷転送／読み出し部位については特開昭５８−１０３１６６、特開昭５８−１０３１６５、特開２００３−３３２５５１等を参考にすることができる。半導体基板上にＭＯＳトランジスタが各画素単位に形成された構成を適宜採用することができる。ＭＯＳトランジスタを用いた固体撮像素子の場合、電極を透過した入射光によって光導電膜の中に電荷が発生し、電極に電圧を印加することにより電極と電極との間に生じる電界によって電荷が光導電膜の中を電極まで走行し、さらにＭＯＳトランジスタの電荷蓄積部まで移動し、電荷蓄積部に電荷が蓄積される。電荷蓄積部に蓄積された電荷は、ＭＯＳ トランジスタのスイッチングにより電荷読出し部に移動し、さらに電気信号として出力される。これにより、フルカラーの画像信号が、信号処理部を含む固体撮像装置に入力される。
【０１０９】
一定量のバイアス電荷を蓄積ダイオードに注入して（リフレッシュモード）おき、一定の電荷を蓄積（光電変換モード）後、信号電荷を読み出すことが可能である。受光素子そのものを蓄積ダイオードとして用いることもできるし、別途、蓄積ダイオードを付設することもできる。
【０１１０】
信号の読み出しについてさらに詳細に説明する。信号の読み出しは、通常のカラー読み出し回路を用いることができる。受光部で光／電気変換された信号電荷もしくは信号電流は、受光部そのものもしくは付設されたキャパシタで蓄えられる。蓄えられた電荷は、Ｘ−Ｙアドレス方式を用いたＭＯＳ型撮像素子（いわゆるＣＭＯＳセンサ）の手法により、画素位置の選択とともに読み出される。他には、アドレス選択方式として、１画素づつ順次マルチプレクサスイッチとデジタルシフトレジスタで選択し、共通の出力線に信号電圧（または電荷）として読み出す方式が挙げられる。２次元にアレイ化されたＸ−Ｙアドレス操作の撮像素子がＣＭＯＳセンサとして知られる。これは、Ｘ−Ｙの交点に接続された画素に儲けられたスイッチは垂直シフトレジスタに接続され、垂直操走査シフトレジスタからの電圧でスイッチがオンすると同じ行に儲けられた画素から読み出された信号は、列方向の出力線に読み出される。この信号は水平走査シフトレジスタにより駆動されるスイッチを通して順番に出力端から読み出される。
【０１１１】
出力信号の読み出しには、フローティングディフュージョン検出器や、フローティングゲート検出器を用いることができる。また画素部分に信号増幅回路を設けることや、相関二重サンプリング（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）の手法などにより、Ｓ／Ｎの向上をはかることができる。
【０１１２】
信号処理には、ＡＤＣ回路によるガンマ補正、ＡＤ変換機によるデジタル化、輝度信号処理や、色信号処理を施すことができる。色信号処理としては、ホワイトバランス処理や、色分離処理、カラーマトリックス処理などが挙げられる。ＮＴＳＣ信号に用いる際は、ＲＧＢ信号をＹＩＱ信号の変換処理を施すことができる。
【０１１３】
電荷転送・読み出し部位は電荷の移動度が100cm2／volt・sec以上であることが必要であり、この移動度は、材料をＩＶ族、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族の半導体から選択することによって得ることができる。その中でも微細化技術が進んでいることと、低コストであることからシリコン半導体（Ｓｉ半導体共記す）が好ましい。電荷転送・電荷読み出しの方式は数多く提案されているが、何れの方式でも良い。特に好ましい方式はCMOS型あるいはCCD型のデバイスである。更に本実施形態の場合、CMOS型の方が高速読み出し、画素加算、部分読み出し、消費電力などの点で好ましいことが多い。
【０１１４】
（接続）
電磁波吸収・光電変換部位と電荷転送・読み出し部位を連結する複数のコンタクト部位はいずれの金属で連結してもよいが、銅、アルミ、銀、金、クロム、タングステンの中から選択するのが好ましく、特に銅が好ましい。複数の電磁波吸収・光電変換部位に応じて、それぞれのコンタクト部位を電荷転送・読み出し部位との間に設置する必要がある。青・緑・赤光の複数感光ユニットの積層構造を採る場合、青光用取り出し電極と電荷転送・読み出し部位の間、緑光用取り出し電極と電荷転送・読み出し部位の間および赤光用取り出し電極と電荷転送・読み出し部位の間をそれぞれ連結する必要がある。
【０１１５】
（プロセス）
本実施形態の固体撮像素子は、公知の集積回路などの製造に用いるいわゆるミクロファブリケーションプロセスにしたがって製造することができる。基本的には、この方法は活性光や電子線などによるパターン露光（水銀のｉ，ｇ輝線、エキシマレーザー、さらにはX線、電子線）、現像及び／又はバーニングによるパターン形成、素子形成材料の配置（塗設、蒸着、スパッタ、CVなど）、非パターン部の材料の除去（熱処理、溶解処理など）の反復操作による。
【０１１６】
（用途）
デバイスのチップサイズは、ブローニーサイズ、135サイズ、APSサイズ、１／1.8インチ、さらに小型のサイズでも選択することができる。本実施形態の固体撮像素子の画素サイズは複数の電磁波吸収・光電変換部位の最大面積に相当する円相当直径で表す。いずれの画素サイズであっても良いが、２−２０ミクロンの画素サイズが好ましい。さらに好ましくは２−１０ミクロンであるが、３−８ミクロンが特に好ましい。
【０１１７】
画素サイズが２０ミクロンを超えると解像力が低下し、画素サイズが２ミクロンよりも小さくてもサイズ間の電波干渉のためか解像力が低下する。
本実施形態の固体撮像素子は、デジタルスチルカメラに利用することが出来る。また、TVカメラに用いることも好ましい。その他の用途として、デジタルビデオカメラ、下記用途などでの監視カメラ（オフィスビル、駐車場、金融機関・無人契約機、ショッピングセンター、コンビニエンスストア、アウトレットモール、百貨店、パチンコホール、カラオケボックス、ゲームセンター、病院）、その他各種のセンサ（テレビドアホン、個人認証用センサ、ファクトリーオートメーション用センサ、家庭用ロボット、産業用ロボット、配管検査システム）、医療用センサ（内視鏡、眼底カメラ）、テレビ会議システム、テレビ電話、カメラつきケータイ、自動車安全走行システム（バックガイドモニタ、衝突予測、車線維持システム）、テレビゲーム用センサなどの用途に用いることが出来る。
【０１１８】
中でも、本実施形態の固体撮像素子は、テレビカメラ用途としても適するものである。その理由は、色分解光学系を必要としないためにテレビカメラの小型軽量化を達成することが出来るためである。また、高感度で高解像力を有することから、ハイビジョン放送用テレビカメラに特に好ましい。この場合のハイビジョン放送用テレビカメラとは、デジタルハイビジョン放送用カメラを含むものである。
【０１１９】
更に、本実施形態の固体撮像素子においては、光学ローパスフィルターを不要とすることが出来、更なる高感度、高解像力が期待できる点で好ましい。
【０１２０】
更に、本実施形態の固体撮像素子においては厚みを薄くすることが可能であり、かつ色分解光学系が不要となる為、「日中と夜間のように異なる明るさの環境」、「静止している被写体と動いている被写体」など、異なる感度が要求される撮影シーン、その他分光感度、色再現性に対する要求が異なる撮影シーンに対して、本実施形態の固体撮像素子を交換して撮影する事により1台のカメラにて多様な撮影のニーズにこたえることが出来、同時に複数台のカメラを持ち歩く必要がない為、撮影者の負担も軽減する。交換の対象となる固体撮像素子としては、上記の他に赤外光撮影用、白黒撮影用、ダイナミックレンジの変更を目的に交換固体撮像素子を用意することが出来る。
【０１２１】
本実施形態のTVカメラは、映像情報メディア学会編、テレビジョンカメラの設計技術（1999年8月20日、コロナ社発行、ISBN 4-339-00714-5）第2章の記述を参考にし、例えば図２．１テレビカメラの基本的な構成の色分解光学系及び撮像デバイスの部分を、本実施形態の固体撮像素子と置き換えることにより作製することができる。
上述の積層された受光素子は、配列することで撮像素子として利用することができるだけでなく、単体としてバイオセンサや化学センサなどの光センサやカラー受光素子としても利用可能である。
【０１２２】
さらに、本実施形態における有機層の光電変換素子について好ましい態様について述べる。
光電変換素子の電極材料としては、基本的に何であっても構わない。例えば、金属、合金、金属酸化物、有機導電性化合物、これらの混合物等が好適に挙げられ、具体例としては例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｆｒ、Ｒａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｆｅ，Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ，Ｔｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔ、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｆ、Ｏ、Ｓ、Ｎの中から選ばれる任意の組み合わせで良いが、本実施形態において特に好ましいものとしてＡｌ、Ｐｔ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｚｎを選ぶことができる。この中でも透過率が高い構成が好ましい。
【０１２３】
すなわち、透明電極を用いることは大変好ましい。具体的な材料として酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）等の導電性金属酸化物、金、白金、銀、クロム、ニッケル等の金属を用いて作成した厚みの薄い半透過性電極、更にこれらの金属と導電性金属酸化物との混合物又は積層物、ヨウ化銅、硫化銅などの無機導電性物質、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロ−ル等の有機導電性材料、これらとＩＴＯとの積層物、などが挙げられる。また、沢田豊監修「透明導電膜の新展開」（シーエムシー刊、1999年）、日本学術振興会著「透明導電膜の技術」（オーム社、１９９９年）等に詳細に記載されているものを用いても良い。しかし、本実施形態において、特に好ましいのは、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＳｎＯ２、ＡＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＦＴＯのいずれかの材料を含むことである。」
【０１２４】
本実施形態においては、このような電極上に光電変換膜を作成する。本実施形態における光電変換膜とは、光を吸収して電子に変える光電変換層を含み、かつ、その電子を分離するために必要な電極間材料や電極を含む。その好ましい構成としては、まず基板上に積層される光電変換膜が一つの光電変換膜の場合として、下から[1]下部電極層、電子輸送性材料層、ホール輸送性材料層、透明電極という構成、[2]下部電極層、ホール輸送性材料層、電子輸送性材料層、透明電極という構成などが挙げられるが、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、電子輸送性材料を二つ以上の層に分割しても良いし、ホール輸送性材料層を二つ以上に分割しても構わない。例えば、[3]下部電極層、電子輸送性材料層,電子輸送性材料層、ホール輸送性材料層、透明電極[4]下部電極層、電子輸送性材料層、ホール輸送性材料層、ホール輸送性材料、透明電極[5]下部電極層、電子輸送性材料層,電子輸送性材料層、ホール輸送性材料層、ホール輸送性材料、透明電極という構成である。さらに、基板上に積層される光電変換膜が二つの場合は、基本的に光電変換膜が一つの場合の組み合わせを作成することができる。すなわち、例えば、[1]と[1]との組み合わせである下から下部電極層、電子輸送性材料層、ホール輸送性材料層、透明電極、層間絶縁膜、下部電極層（透明電極）、電子輸送性材料層、ホール輸送性材料層、透明電極という構成や、[1]と[2]の組み合わせである下部電極層、電子輸送性材料層、ホール輸送性材料層、透明電極、層間絶縁膜、下部電極層（透明電極）、ホール輸送性材料層、電子輸送性材料層、透明電極という構成などが挙げられ、そのような複数層の構成は基本的に[1]、[2]、[3]、[4]、[5]から選ばれる組み合わせで任意に構成しても良いし、[1]、[2] [3]、[4]、[5]以外の他の構成と[1]、[2]、[3]、[4]、[5]とを任意に組み合わせても良い。
【０１２５】
また、本実施形態における光電変換材料は無機材料であっても、有機材料であっても構わないが、本実施形態では有機材料が含まれている場合、好ましく用いることができる。特にホール輸送性有機材料及び電子輸送性有機材料を含むことが極めて望ましい。本実施形態における電子輸送性有機材料としては、例えばアクセプター性有機半導体（化合物）を好ましく用いることができる。アクセプター性有機半導体（化合物）とは主に電子輸送性有機化合物に代表され、電子を受容しやすい性質がある有機化合物をいう。さらに詳しくは２つの有機化合物を接触させて用いたときに電子親和力の大きい方の有機化合物をいう。したがって、アクセプター性有機化合物は、電子受容性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。例えば、縮合芳香族炭素環化合物（ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体）、窒素原子、酸素原子、硫黄原子を含有する５ないし７員のヘテロ環化合物（例えばピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、キノリン、キノキサリン、キナゾリン、フタラジン、シンノリン、イソキノリン、プテリジン、アクリジン、フェナジン、フェナントロリン、テトラゾール、ピラゾール、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、インダゾール、ベンズイミダゾール、ベンゾトリアゾール、ベンゾオキサゾール、ベンゾチアゾール、カルバゾール、プリン、トリアゾロピリダジン、トリアゾロピリミジン、テトラザインデン、オキサジアゾール、イミダゾピリジン、ピラリジン、ピロロピリジン、チアジアゾロピリジン、ジベンズアゼピン、トリベンズアゼピン等）、ポリアリーレン化合物、フルオレン化合物、シクロペンタジエン化合物、シリル化合物、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体などが挙げられる。なお、これに限らず、ドナー性有機化合物として用いた有機化合物よりも電子親和力の大きな有機化合物であればアクセプター性有機半導体として用いてよい。
【０１２６】
また、本実施形態におけるホール輸送性有機材料の特に好ましい例は以下のようにあげることができる。例えば、ポリ-N-ビニルカルバゾール誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリフェニレン、ポリチオフェン、ポリメチルフェニルシラン、ポリアニリン、トリアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、イミダゾール誘導体、ポリアリールアルカン誘導体、ピラゾリン誘導体及びピラゾロン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、アリールアミン誘導体、アミノ置換カルコン誘導体、オキサゾール誘導体、カルバゾール誘導体、スチリルアントラセン誘導体、フルオレノン誘導体、ヒドラゾン誘導体、スチルベン誘導体、ポリフィリン誘導体（フタロシアニン等）、芳香族三級アミン化合物及びスチリルアミン化合物、ブタジエン化合物、ベンジジン誘導体、ポリスチレン誘導体、トリフェニルメタン誘導体、テトラフェニルベンジン誘導体、スターバーストポリアミン誘導体等が使用可能である。また、有機色素を用いることも非常に好ましく、上記の材料を光を吸収する構造を持たせることや、他にも金属錯体色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、フェニルキサンテン系色素、トリフェニルメタン系色素、ロダシアニン系色素、キサンテン系色素、大環状アザアヌレン系色素、アズレン系色素、ナフトキノン、アントラキノン系色素、アントラセン、ピレン等の縮合多環芳香族及び芳香環乃至複素環化合物が縮合した鎖状化合物、キノリン、ベンゾチアゾール、ベンゾオキサゾール等の２ケの含窒素複素環、スクアリリウム基及びクロコニツクメチン基により結合したシアニン系類似の色素等を好ましく用いることができる。金属錯体色素である場合、ジチオール金属錯体系色素、金属フタロシアニン色素、金属ポルフィリン色素又はルテニウム錯体色素が好ましく、ルテニウム錯体色素が特に好ましい。ルテニウム錯体色素としては、例えば米国特許4927721号、同4684537号、同5084365号、同5350644号、同5463057号、同5525440号、特開平7-249790号、特表平10-504512 号、WO98/50393号、特開2000-26487号等に記載の錯体色素等が挙げられる。また、シアニン色素、メロシアニン色素、スクワリリウム色素などのポリメチン色素の具体例としては特開平11-35836号、特開平11-67285号、特開平11-86916号、特開平11-97725号、特開平11-158395号、特開平11-163378号、特開平11-214730 号、特開平11-214731号、特開平11-238905号、特開2000-26487号、欧州特許892411号、同911841号及び同991092号の各明細書に記載の色素である。
【０１２７】
なお、本実施形態においてはこれらの材料を必要に応じて、ポリマーバインダ−内に含有させても良い。そのように用いられるポリマ−バインダ−としては、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレ−ト、ポリブチルメタクリレ−ト、ポリエステル、ポリスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリブタジエン、炭化水素樹脂、ケトン樹脂、フェノキシ樹脂、ポリアミド、エチルセルロ−ス、酢酸ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリウレタン、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、アルキド樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリビニルブチラ−ル、ポリビニルアセタ−ル等を挙げることができる。
【０１２８】
（第二実施形態）
本実施形態では、第一実施形態で説明した固体撮像素子の画素が、２つの基板上光電変換素子と１つの基板内光電変換素子を含む場合の構成について説明する。
【０１２９】
図７は、本実施形態の第二実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す表面模式図である。
図７に示す固体撮像素子は、同一平面上の行方向及びこれに直交する列方向に正方格子状に配列された多数の画素３００を備える。多数の画素３００は、行方向に配列された複数の画素３００からなる行を画素行とし、この画素行を列方向に多数配列した配置、又は、列方向に配列された複数の画素３００からなる列を画素列とし、この画素列を行方向に多数配列した配置となっている。各画素３００は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各光を検出してそれに応じた信号電荷を発生して蓄積する部分である受光部と、該受光部に蓄積された信号電荷に応じた信号を読み出すためのＭＯＳトランジスタからなる信号読み出し回路とが含まれる。
【０１３０】
ｎ型シリコン基板３２０上には、各画素３００に含まれる信号読み出し回路を駆動するための駆動信号を該信号読み出し回路に供給する行選択走査部３０２と、各画素３００から読み出された色信号に相関二重サンプリング処理やＡ／Ｄ変換処理等の信号処理を行う信号処理部３０３と、各画素３００に含まれる受光部を駆動するためのタイミングパルスを生成して、これを各受光部に供給したり、行選択走査部３０２及び信号処理部３０３を制御したりする制御部３０４とが形成されている。
【０１３１】
ｎ型シリコン基板３２０上には、各画素３００に含まれる信号読み出し回路を駆動するための駆動信号を供給するための５種類の信号線（色選択信号線３０８ｒ，３０８ｂ，３０８ｇ、リセット信号線３０９、行選択信号線３１０）と、後述する電荷読み出し用の電荷読み出し信号線３１２とが形成されている。リセット信号線３０９、行選択信号線３１０、色選択信号線３０８ｒ，３０８ｂ，３０８ｇ、及び電荷読み出し信号線３１２は、これらを１組にして各画素行に対応して設けられている。５種類の信号線は、これらに対応する画素行に含まれる各画素３００の信号読み出し回路と、行選択走査部３０２とに接続されている。行選択走査部３０２から、色選択信号線３０８ｒ，３０８ｂ，３０８ｇ、リセット信号線３０９、行選択信号線３１０を介して駆動信号が信号読み出し回路に供給されることで、信号読み出し回路の信号読み出し動作が制御される。電荷読み出し信号線３１２は、対応する画素行に含まれる各画素３００と、行選択走査部３０２とに接続されている。
【０１３２】
ｎ型シリコン基板３２０上には、各画素３００に含まれる信号読み出し回路から読み出されたＲ，Ｇ，Ｂの各色信号を信号処理部３０３に伝達するための信号出力線３１１が、各画素列の間を列方向に延びて形成されている。信号出力線３１１は、各画素列に対応して設けられている。信号出力線３１１は、これらに対応する画素列に含まれる各画素３００の信号読み出し回路と、信号処理部３０３とに接続される。
【０１３３】
図８は、図７に示す１つの画素の概略構成を示す模式図であり、受光部の概略断面と、そこに接続される信号読み出し回路とを模式的に示した図である。図９は、図８に示す信号読み出し回路の具体構成例を示した図である。図８に示すように、画素３００には、受光部３００ａと、信号読み出し回路３００ｂが含まれる。
【０１３４】
ｎ型シリコン基板３２０ａ表面部にはｐウェル層３２０ｂが形成され、ｎ型シリコン基板３２０ａとｐウェル層３２０ｂにより、シリコン基板３２０が構成される。ｐウェル層３２０ｂ内には、ｐ＋型半導体層３２５とｎ型半導体層３２４がこの順に、浅い位置から深い位置に向かって形成されている。ｎ型半導体層３２４とｐウェル層３２０ｂとのｐｎ接合面は、Ｒの波長域の光を吸収する位置に形成されており、このｐ＋型半導体層３２５とｎ型半導体層３２４とにより、Ｒの波長域の光を吸収してこれに応じたＲ信号電荷を発生する基板内光電変換素子４００ｃが構成される。基板内光電変換素子４００ｃで発生したＲ信号電荷はｎ型半導体層３２４に蓄積される。
【０１３５】
ｐ＋型半導体層３２５とｎ型半導体層３２４の右側には、少し離間して、高濃度のｎ型半導体層３２３が形成されている。ｐ＋型半導体層３２５とｎ型半導体層３２３との間のｐウェル層３２０ｂ上には図示しないゲート絶縁膜を介して電荷読み出し電極３２２が形成されている。電荷読み出し電極３２２は、電荷読み出し信号線３１２に接続されており、電荷読み出し信号線３１２から電荷読み出しパルスが供給されることで、電荷読み出し電極３２２下方にチャネルを形成する。この電荷読み出しパルスにより、ｎ型半導体層３２４に蓄積された信号電荷を、チャネルを介してｎ型半導体層３２３に読み出すことができる。
【０１３６】
ｎ型シリコン基板３２０上には透明絶縁膜３２６が積層され、透明絶縁膜３２６上に受光部３００ａ毎に分割された画素電極膜３２７が形成されている。画素電極膜３２７は、光学的に透明または光吸収が少ない材料で形成される。例えば、ＩＴＯ等のような金属化合物や、非常に薄い金属膜等で形成される。
【０１３７】
画素電極膜３２７上には、全ての画素３００に含まれる受光部３００ａで共通の１枚構成でなる光電変換膜３２８が積層される。この光電変換膜３２８は、主としてＢの波長領域の光に感度を有し、入射光の内のＢの入射光量に応じたＢ信号電荷を発生する。光電変換膜３２８の構造は、単層膜構造でも多層膜構造でもよく、主にＢに感度がある無機材料（シリコンや化合物半導体、それらのナノ粒子等）、有機半導体材料、有機色素を含む有機材料または無機材料等で形成される。
【０１３８】
光電変換膜３２８上には透明の共通電極膜（画素電極膜３２７の対向電極膜）３２９が形成され、その上には透明な絶縁膜３３０が形成される。対向電極膜３２９は、全ての画素３００に含まれる受光部３００ａで共通の一枚の膜状電極でも良く、また、画素電極膜３２７と同様に受光部３００ａ毎に分割して形成しこれらを共通配線した構成でも良い。材料としては、例えばＩＴＯ等のような金属化合物や非常に薄い金属膜等で形成されるが、光学的に透明または光吸収が少ない材料とする必要がある。画素電極膜３２７と対向電極膜３２９に電圧を印加することで、光電変換膜３２８で発生したＢ信号電荷が画素電極膜３２７に蓄積される。
【０１３９】
画素電極膜３２７と、対向電極膜３２９と、これらの電極膜によって挟まれた光電変換膜３２８の一部分とが基板上光電変換素子４００ｂを構成する。
【０１４０】
絶縁膜３３０上には受光部３００ａ毎に分割された画素電極膜３３１が形成されている。画素電極膜３３１は、光学的に透明または光吸収が少ない材料で形成される。例えば、ＩＴＯ等のような金属化合物や、非常に薄い金属膜等で形成される。
【０１４１】
画素電極膜３３１上には、全ての画素３００に含まれる受光部３００ａで共通の１枚構成でなる光電変換膜３３２が積層される。この光電変換膜３３２は、主としてＧの波長領域の光に感度を有し、入射光の内のＧの入射光量に応じたＧ信号電荷を発生する。光電変換膜３３２の構造は、単層膜構造でも多層膜構造でもよく、主にＧに感度がある無機材料（シリコンや化合物半導体、それらのナノ粒子等）、有機半導体材料、有機色素を含む有機材料または無機材料等で形成される。
【０１４２】
光電変換膜３３２上には透明の共通電極膜（画素電極膜３３１の対向電極膜）３３３が形成され、その上には透明な保護膜３３４が形成される。対向電極膜３３３は、全ての画素３００に含まれる受光部３００ａで共通の一枚の膜状電極でも良く、また、画素電極膜３３１と同様に受光部３００ａ毎に分割して形成しこれらを共通配線した構成でも良い。材料としては、例えばＩＴＯ等のような金属化合物や非常に薄い金属膜等で形成されるが、光学的に透明または光吸収が少ない材料とする必要がある。画素電極膜３３１と対向電極膜３３３に電圧を印加することで、光電変換膜３３２で発生したＧ信号電荷が画素電極膜３３１に蓄積される。
【０１４３】
画素電極膜３３１と、対向電極膜３３３と、これらの電極膜によって挟まれた光電変換膜３３２の一部分とが基板上光電変換素子４００ａを構成する。
【０１４４】
画素電極膜３２７には、光電変換膜３２８で光電変換されて、ここに蓄積されたＢ信号電荷に応じたＢ信号を読み出すための信号読み出し回路３００ｂの入力端子３１８ｂが接続されている。
【０１４５】
画素電極膜３３１には、光電変換膜３３２で光電変換されて、ここに蓄積されたＧ信号電荷に応じたＧ信号を読み出すための信号読み出し回路３００ｂの入力端子３１８ｇが接続されている。
【０１４６】
ｎ型半導体層３２３には、基板内光電変換素子４００ｃで光電変換されて、ここに蓄積されたＲ信号電荷に応じたＲ信号を読み出すための信号読み出し回路３００ｂの入力端子３１８ｒが接続されている。信号読み出し回路３００ｂは、ｐウェル層３２０ｂ内部及び透明絶縁膜３２６，３３０内に形成されている。
【０１４７】
図９に示すように、信号読み出し回路３００ｂは、基板内光電変換素子４００ｃ、基板上光電変換素子４００ｂ、及び基板上光電変換素子４００ａ毎に設けられた色選択用トランジスタ３１３ｒ，３１３ｂ，３１３ｇと、色選択用トランジスタ３１３ｒ，３１３ｂ，３１３ｇのいずれかによって選択された、基板内光電変換素子４００ｃ、基板上光電変換素子４００ｂ、及び基板上光電変換素子４００ａのいずれかで発生した信号電荷を信号に変換して、これを信号出力線３１１に出力する回路である電荷検出セル３１２とを備える。電荷検出セル３１２は、特許請求の範囲の信号出力手段に相当する。
【０１４８】
色選択用トランジスタ３１３ｒは、そのゲートが色選択信号線３０８ｒに接続され、そのソースが入力端子３１８ｒに接続され、そのドレインが電荷検出セル３１２の入力に接続される。色選択用トランジスタ３１３ｇは、そのゲートが色選択信号線３０８ｇに接続され、そのソースが入力端子３１８ｇに接続され、そのドレインが電荷検出セル３１２の入力に接続される。色選択用トランジスタ３１３ｂは、そのゲートが色選択信号線３０８ｂに接続され、そのソースが入力端子３１８ｂに接続され、そのドレインが電荷検出セル３１２の入力に接続される。
【０１４９】
電荷検出セル３１２は、信号電荷を信号に変換する出力トランジスタ３１４と、読み出し画素行を選択するための行選択トランジスタ３１５と、電荷検出セル３１２に読み出された信号電荷をリセットするリセットトランジスタ３１６とを備える。行選択トランジスタ３１５は、読み出し画素行を選択するための行選択信号によって動作する。リセットトランジスタ３１６は、信号電荷をリセットするためのリセット信号によって動作する。
【０１５０】
出力トランジスタ３１４は、そのゲートが色選択用トランジスタ３１３ｒ，３１３ｇ，３１３ｂの出力に接続され、そのソースが電源端子３１７に接続される。リセットトランジスタ３１６は、そのゲートがリセット信号線３０９に接続され、そのソースが出力トランジスタ３１４のゲートに接続され、そのドレインが電源端子３１７に接続される。行選択トランジスタ３１５は、そのゲートが行選択信号線３１０に接続され、そのソースが出力トランジスタ３１４のドレインに接続され、そのドレインが信号出力線３１１に接続される。
【０１５１】
このように、信号読み出し回路３００ｂでは、電荷検出セル３１２が、基板内光電変換素子４００ｃ、基板上光電変換素子４００ｂ、及び基板上光電変換素子４００ａそれぞれに共通に設けられている。これにより、基板内光電変換素子４００ｃ、基板上光電変換素子４００ｂ、及び基板上光電変換素子４００ａ毎に電荷検出セルを設ける構成に比べて信号読み出し回路３００ｂの面積を小さくすることができる。もちろん、基板内光電変換素子４００ｃ、基板上光電変換素子４００ｂ、及び基板上光電変換素子４００ａ毎に、電荷検出セルを設けた構成であっても良い。
【０１５２】
このように、本実施形態の固体撮像素子は、基板内光電変換素子４００ｃと基板上光電変換素子４００ａと基板上光電変換素子４００ｂとの３つの光電変換素子を有する画素３００を多数備えた構成である。以上のような構成に加え、本実施形態の固体撮像素子では、各画素３００に含まれる３つの光電変換素子の各々の光電変換感度に感度差を持たせることで、ダイナミックレンジの拡大を図っている。
【０１５３】
本実施形態において、画素３００は、「基板内光電変換素子４００ｃの光電変換感度＞基板上光電変換素子４００ａの光電変換感度＞基板上光電変換素子４００ｂの光電変換感度」となるように、各光電変換素子が設計されている。基板上光電変換素子４００ａの光電変換感度は、電荷検出セル３１２から基板上光電変換素子４００ａを見たときの第一の容量、即ち、基板上光電変換素子４００ａが素子選択用トランジスタ３１３ｇによって選択された状態で、電荷検出セル３１２の入力に接続されている部分の容量によって決まる。同様に、基板上光電変換素子４００ｂの光電変換感度は、電荷検出セル３１２から基板上光電変換素子４００ｂを見たときの第一の容量、即ち、基板上光電変換素子４００ｂが素子選択用トランジスタ３１３ｂによって選択された状態で、電荷検出セル３１２の入力に接続されている部分の容量によって決まる。同様に、基板内光電変換素子４００ｃの光電変換感度は、電荷検出セル３１２から基板内光電変換素子４００ｃを見たときの第二の容量、即ち、基板内光電変換素子４００ｃが素子選択用トランジスタ３１３ｒによって選択された状態で、電荷検出セル３１２の入力に接続されている部分の容量によって決まる。
【０１５４】
信号読み出し回路３００ｂが、基板内光電変換素子４００ｃ、基板上光電変換素子４００ｂ、及び基板上光電変換素子４００ａ毎に、電荷検出セルを有する場合には、基板上光電変換素子４００ａ及び基板上光電変換素子４００ｂの各々に対応する電荷検出セルの入力に接続される部分の容量が上記第一の容量となり、基板上光電変換素子４００ｃに対応する電荷検出セルの入力に接続される部分の容量が上記第二の容量となる。
【０１５５】
本出願人は、このような画素３００の構成においても、第一の容量を第二の容量の１．２倍以上１００万倍以下として基板内光電変換素子と基板上光電変換素子とに感度差を付けることで、ダイナミックレンジを効果的に広げられることを見出した。より好ましくは、第一の容量が第二の容量の２倍以上１０万倍以下であり、更に好ましくは、第一の容量が第二の容量の２倍以上１万倍以下のときである。
【０１５６】
図１０は、図９に示した信号読み出し回路に、第一の容量と第二の容量を調整するためのキャパシタを追加した回路例を示す図である。図１０において図９と同じ構成には同一符号を付してある。
図１０に示すように、入力端子３１８ｒと色選択用トランジスタ３１３ｒとの間にキャパシタＣＲを接続し、このキャパシタＣＲにキャパシタラインＬｒを接続すれば良い。同様に、入力端子３１８ｇと色選択用トランジスタ３１３ｇとの間にキャパシタＣＧを接続し、このキャパシタＣＧにキャパシタラインＬｇを接続すれば良い。同様に、入力端子３１８ｂと色選択用トランジスタ３１３ｂとの間にキャパシタＣＢを接続し、このキャパシタＣＢにキャパシタラインＬｂを接続すれば良い。尚、キャパシタラインＬｒ，Ｌｇ，Ｌｂは、それぞれ共通化されていても良い。又、キャパシタＣＲ，ＣＧ，ＣＢも共通の１つのキャパシタとしても良い。
【０１５７】
このように容量を調整して設計された画素３００からは、高感度の光電変換を行う光電変換素子４００ｃから得られる高感度のＲ信号と、低感度の光電変換を行う光電変換素子４００ｂから得られる低感度のＢ信号と、光電変換素子４００ｃよりも光電変換感度が低く、光電変換素子４００ｂよりも光電変換感度が高い中感度の光電変換を行う光電変換素子４００ａから得られる中感度のＧ信号とが得られる。しかし、画素３００から得られる信号だけで１画素データを生成してしまうと、ＲＧＢ各色毎に高感度、中感度、低感度の信号が得られないため、良好な画像を生成できない。そこで、本実施形態の固体撮像素子では、多数の画素３００を３つの画素３００からなるユニットに分け、各ユニットでカラー画像データの１画素データを生成するようにしている。
【０１５８】
図１１は、図７に示す多数の画素３００を３つの画素３００からなるユニットに分けたときの、ユニットの断面を模式的に示した図である。図１１において、高感度の光電変換を行う光電変換素子には（Ｈ）を、中感度の光電変換を行う光電変換素子には（Ｍ）を、低感度の光電変換を行う光電変換素子には（Ｌ）を記した。
【０１５９】
一番左の画素３００の構成は、基板上光電変換素子４００ａがＧの波長域の光を検出し、基板上光電変換素子４００ｂがＲの波長域の光を検出し、基板内光電変換素子４００ｃがＢの波長域の光を検出するように構成されている。
【０１６０】
真ん中の画素３００の構成は、基板上光電変換素子４００ａがＲの波長域の光を検出し、基板上光電変換素子４００ｂがＢの波長域の光を検出し、基板内光電変換素子４００ｃがＧの波長域の光を検出するように構成されている。
【０１６１】
一番右の画素３００の構成は、基板上光電変換素子４００ａがＢの波長域の光を検出し、基板上光電変換素子４００ｂがＧの波長域の光を検出し、基板内光電変換素子４００ｃがＲの波長域の光を検出するように構成されている。
【０１６２】
図１１を見て分かるように、１つのユニットからは、ＲＧＢ各色毎に、高感度、中感度、低感度の３つの信号が得られるため、ＲＧＢ各色毎にこれら３つの信号を合成することで、固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大することができる。
【０１６３】
以上のように、第一実施形態や第二実施形態で説明した固体撮像素子は、各画素において、基板内光電変換素子の光電変換感度を、基板上光電変換素子の光電変換感度よりも高くしているが、以下、この理由について説明する。
【０１６４】
従来の単板式のイメージセンサが大成功を収めた大きな理由の一つは、その高いＳ／Ｎである。特に低照度の被写体を撮影する際において良好なＳ／Ｎを得るためにはノイズを極めて小さく抑えなければならない。ノイズを抑制することができるのは、ドープ濃度の比較的低い単結晶Ｓｉの内部で光電子を発生させ、その信号電荷を単結晶Ｓｉ内部で読出すことにより達成される。特に、埋め込み型のフォトダイオードを用いた完全転送型のイメージセンサは、表面の欠陥準位による影響がなく低照度のＳ／Ｎも極めてよいとされている。このため、基板内光電変換素子の光電変換感度を高感度にすることが、Ｓ／Ｎ劣化を抑える上で好ましいのである。
【０１６５】
尚、第二実施形態で説明したように、１つの画素に３つの光電変換素子が含まれる場合においては、低照度撮影時のＳ／Ｎ向上という目的から言えば、基板内光電変換素子に持たせるべき光電変換感度を高感度にしておけば、それ以外の２つの基板上光電変換素子に持たせるべき光電変換感度は、基板内光電変換素子の光電変換感度よりも低ければ、どちらが高くても構わない。ただし、光利用効率を最適にするためには、図１１に示した構成のように、基板に近い基板上光電変換素子ほど光電変換感度を低くすることが好ましい。これは、基板に近い基板上光電変換素子ほど、入射光量が少なくなるためである。
【０１６６】
第一実施形態及び第二実施形態で説明した固体撮像素子は、各画素に２つ又は３つの光電変換素子が含まれる構成としているが、固体撮像素子を構成する各画素には、２つ以上の基板内光電変換素子と、２つ以上の基板上光電変換素子とが含まれていても良い。この場合でも、２つ以上の基板上光電変換素子の各々に接続される電荷検出セルから、各々の基板上光電変換素子を見たときの複数の第一の容量を、２つ以上の基板内光電変換素子の各々に接続される電荷検出セルから、各々の基板内光電変換素子を見たときの複数の第二の容量（この複数の第二の容量は全て同一とする）の１．２倍以上とすることで、ダイナミックレンジを効果的に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１６７】
【図１】本実施形態の第一実施形態を説明するための固体撮像素子の構成を示す表面模式図
【図２】図１に示す１つの画素の概略構成を示す模式図
【図３】図２に示す信号読み出し回路の具体構成例を示した図
【図４】図１に示す多数の画素を３つの画素からなるユニットに分けたときの、ユニットの断面を模式的に示した図
【図５】図３に示す信号読み出し回路の変形例を示す回路図
【図６】図５に示した信号読み出し回路に、第一の容量と第二の容量を調整するためのキャパシタを追加した回路例を示す図
【図７】本実施形態の第二実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す表面模式図
【図８】図７に示す１つの画素の概略構成を示す模式図
【図９】図８に示す信号読み出し回路の具体構成例を示した図
【図１０】図９に示した信号読み出し回路に、第一の容量と第二の容量を調整するためのキャパシタを追加した回路例を示す図
【図１１】図７に示す多数の画素を３つの画素からなるユニットに分けたときの、ユニットの断面を模式的に示した図
【符号の説明】
【０１６８】
１００  画素
１２０  シリコン基板
１２７  画素電極膜
１２８  光電変換膜
１２９  対向電極膜
２００ａ  基板上光電変換素子
２００ｂ  基板内光電変換素子
１００ａ  受光部
１００ｂ  信号読出し回路
２１２ａ，２１２ｂ  電荷検出セル
【図１】
2007324405.tif 000003
【図２】
2007324405.tif 000004
【図３】
2007324405.tif 000005
【図４】
2007324405.tif 000006
【図５】
2007324405.tif 000007
【図６】
2007324405.tif 000008
【図７】
2007324405.tif 000009
【図８】
2007324405.tif 000010
【図９】
2007324405.tif 000011
【図１０】
2007324405.tif 000012
【図１１】
2007324405.tif 000013